Amikor az Világegyetemet, annak összes bolygóját és csillagát, galaxisát és klaszterét, gázt, porát, plazmáját nézzük, ugyanazokat az aláírásokat látjuk mindenhol. Látjuk az atomabszorpció és -kibocsátás vonalait, látjuk, hogy az anyag kölcsönhatásba lép az anyag más formáival, láthatjuk a csillagok kialakulását és a csillagok halálát, az ütközéseket, a röntgenfelvételeket és még sok minden mást. Van egy nyilvánvaló kérdés, amely magyarázatot igényel: miért látjuk mindezt? Ha a fizikai törvények szimmetriát diktálnak az anyag és az antianyag között, akkor az általunk megfigyelt világegyetemnek nem szabad létezni.
De itt vagyunk, és senki sem tudja miért.
Miért nincs antianyag az univerzumban?
Gondolj csak a két látszólag ellentmondásos tényre:
- minden alkalommal, amikor kvarkot vagy leptonot hozunk létre, akkor antiquarkot és antileptont is létrehozunk;
- minden alkalommal, amikor egy kvark vagy lepton megsemmisül, egy régiséget vagy antileptont is megsemmisítenek;
- A létrehozott vagy megsemmisített leptonoknak és az antileptonoknak egyensúlyban kell lenniük a teljes nyári szivacs családban, és minden alkalommal, amikor egy kvark vagy lepton kölcsönhatásba lép, összeütközik vagy hanyatlik, a kvarkok és leptonok teljes számának a reakció végén (kvarkok mínta antikvarok, leptonok mínusz antileptonok) meg kell és lesznek. ugyanaz, mint az elején volt.
Az univerzum anyagmennyiségének megváltoztatásának egyetlen módja az antianyag mennyiségének ugyanannyival történő megváltoztatása volt.
És mégis, van egy második tény.
De nem látunk semmiféle jelet az anyag pusztulásáról az antianyag által. Nem látunk jeleket annak, hogy egyes megfigyelt csillagok, galaxisok vagy bolygók antianyagból készültek. Nem látjuk azokat a jellegzetes gammasugarakat, amelyeket elvárhatnánk, ha az antianyag ütközik az anyaggal és megsemmisülnek. Ehelyett csak az anyagot látjuk mindenütt, ahol nézünk.
Promóciós videó:
És lehetetlennek tűnik. Egyrészt nincs ismert módja az antianyagon kívüli anyag előállításának, ha szemmel tekintik a részecskéket és azok kölcsönhatásait az univerzumban. Másrészt, minden, amit látunk, határozottan anyagból készül, nem antisztatikumból.
Valójában megfigyeltük az anyag és az antianyag megsemmisülését bizonyos szélsőséges asztrofizikai körülmények között, de csak olyan hiperenergetikus források közelében, amelyek az anyagot és az antimateriat azonos mennyiségben termelik - például fekete lyukak. Amikor az antianyag összeütközik az anyaggal az univerzumban, nagyon specifikus frekvenciájú gamma-sugarakat bocsát ki, amelyeket akkor észlelhetünk. A csillagközi intergalaktikus közeg tele van anyaggal, és ezeknek a gamma-sugaraknak a teljes hiánya erős jel, hogy soha nem lesz sokkal több antianyag-részecske, mivel ezután felfedeződnek az antianyag-anyag aláírása.
Ha egy részecskét az antianyagból dob be a galaxisunkba, akkor kb. 300 évig tart, mielőtt az anyag részecske elpusztítja. Ez a korlátozás azt mondja nekünk, hogy a Tejútban az antianyag mennyisége nem haladhatja meg az 1 részecskét / kvadrillió (1015) az anyag teljes mennyiségéhez viszonyítva.
Nagyon nagymértékben - a műholdas galaxisok mérete, a Tejút méretű nagy galaxisok és még a galaxiscsoportok is - a korlátozások kevésbé szigorúak, de még mindig nagyon erősek. Néhány millió fényévtől hárommilliárd fényévig tartó távolságokat megfigyelve röntgen- és gammasugarak hiányát tapasztaltuk, amelyek jelzik az anyag és az antianyag megsemmisülését. Még egy nagy kozmológiai léptékben is az univerzumunkban létező 99,999% -át határozottan az anyag képviseli (ahogy vagyunk), és nem az antianyag.
Hogyan találtuk meg magunkat abban a helyzetben, hogy az Univerzum nagy mennyiségű anyagból áll, és gyakorlatilag nem tartalmaz antianyagot, ha a természet törvényei az anyag és az antianyag között szimmetrikusak? Nos, két lehetőség van: vagy az univerzum több anyaggal született, mint az antianyag, vagy valami történt egy korai szakaszban, amikor az univerzum nagyon forró és sűrű volt, és az anyag és az antianyag aszimmetriájához vezetett, amely eredetileg nem létezett.
Az első ötlet tudományos szempontból nem tesztelhető anélkül, hogy az egész univerzumot újraterveznék, de a második nagyon meggyőző. Ha univerzumunk valamilyen módon létrehozta az anyag és az antianyag aszimmetriáját ott, ahol eredetileg nem volt, akkor az akkor működő szabályok változatlanok maradnak. Ha elég okosak vagyunk, kísérleti teszteket fejleszthetünk ki, amelyek felfedik az anyag eredetét univerzumunkban.
Az 1960-as évek végén Andrei Szaharov a fizikus három feltételt azonosított, amelyek szükségesek a baryogenezishez, vagy több barion (protonok és neutronok) létrehozásához, mint az antiarononok. Itt vannak:
- Az univerzumnak egy nem egyensúlyi rendszernek kell lennie.
- C- és CP-sértéssel kell rendelkeznie.
- Olyan interakcióknak kell lenniük, amelyek megsértik a barion számot.
Az elsőt könnyű megfigyelni, mivel az ingatag részecskékkel (és a részecskékkel) rendelkező expanzív és hűtő világegyetem definíció szerint kiegyensúlyozatlan. A második szintén egyszerű, mivel a C-szimmetria (a részecskék helyettesítése a részecskékkel) és a CP-szimmetria (a részecskék helyettesítése a spekulárisan visszatükröződött részecskékkel) sok gyenge kölcsönhatásban megsérül, furcsa, elbűvölt és gyönyörű kvarkokat érintve.
Továbbra is a kérdés, hogyan lehet megtörni a barion számot. Kísérletileg megfigyeltük, hogy a kvarkok és az antikvarok, a leptonok és az antileptonok egyensúlya egyértelműen megmarad. De a részecskefizika standard modelljében nincs külön kifejezett megőrzési törvény ezekre a mennyiségekre külön-külön.
Három kvarkot vesz igénybe a baryon előállítása, tehát minden három kvarkéhoz hozzárendeljük a baryon számot (B) 1. Hasonlóképpen, minden lepton kap egy lepton számot (L) 1. Az antikvarok, az antiaronok és az antileptonok negatív B és L számmal rendelkeznek.
A standard modell szabályai szerint azonban csak a barionok és a leptonok közötti különbség marad fenn. Megfelelő körülmények között nemcsak további protonokat hozhat létre, hanem elektronokat is létrehozhat hozzájuk. A pontos körülmények nem ismertek, de a Nagyrobbanás lehetőséget adott számukra, hogy megvalósuljanak.
Az univerzum létének első szakaszát hihetetlenül magas energiák jellemzik: elég magas ahhoz, hogy minden ismert részecskét és anti-részecskét nagy mennyiségben létrehozzanak Einstein híres E = mc2 képlete szerint. Ha a részecske létrehozása és megsemmisítése úgy működik, ahogyan gondoljuk, a korai világegyetemet azonos számú anyaggal és antianyag-részecskékkel kell kitölteni, amelyek kölcsönösen átalakulnak egymásba, mivel a rendelkezésre álló energia rendkívül magas maradt.
Ahogy az univerzum tágul és lehűl, az instabil részecskék, amint bőségesen létrejönnek, összeomlanak. Ha a megfelelő feltételek teljesülnek - különös tekintettel a három cukortartalomra -, akkor az anyagfelesleghez vezethet az antianyaghoz képest, még akkor is, ha eredetileg nem volt ilyen. A fizikusok számára az a kihívás, hogy egy megfigyeléssel és kísérletezéssel összhangban életképes forgatókönyvet hozzanak létre, amely elegendő fölösleges anyagot adhat az antianyaghoz képest.
Az antianyaghoz viszonyítva az anyagfeleslegnek három fő lehetősége van:
- Az újfizika az elektromágneses skálán jelentősen megnövelheti a C- és CP-megsértés mértékét az univerzumban, ami aszimmetriához vezet az anyag és az antianyag között. Az SM interakciók (a sphaleron-folyamaton keresztül), amelyek külön-külön megsértik a B-t és az L-t (de megtartják a B-L-t), létrehozhatják a kívánt mennyiségű baryont és leptont.
- Az új, nagy energiájú neutrino-fizika, amelyre az univerzum utal, alapvető aszimmetriát eredményezhet a leptonok között: a leptogenezis. A B - L-et megőrző szfáleronok ezután a lepton aszimmetriát használhatják a baryon aszimmetria létrehozásához.
- Vagy baryogenesis a nagy egyesülési skálán, ha az új fizika (és az új részecskék) léteznek a nagy egyesítési skálán, amikor az elektromos fénysugár erőt kombinálják az erős fénnyel.
Ezeknek a forgatókönyveknek közös elemei vannak, tehát vessünk egy pillantást az utóbbira, csak a példa kedvéért, hogy megértsük, mi történt.
Ha a nagy egyesülési elmélet helyes, akkor új, szuper-nehéz részecskéknek kell lenniük, úgynevezett X és Y, amelyeknek baryonszerű és leptonszerű tulajdonságai is vannak. Az antianyagtól is lehetnek partnereik: anti-X és anti-Y, ellentétes B-L számokkal és ellentétes töltésekkel, de azonos tömeggel és élettartammal. Ezek a részecske-részecske-párok nagy mennyiségben létrehozhatók olyan energiákon, amelyek elég nagyok ahhoz, hogy később bomlanak.
Tehát megtöltjük velük az univerzumot, majd szétesnek. Ha vannak C- és CP-megsértések, akkor kis eltérések lehetnek abban, hogy a részecskék és az anti-részecskék (X, Y és anti-X, anti-Y) lebomlanak.
Ha az X részecskének két útja van: bomlik két felfelé kvarkká vagy két lefelé haladó kvarkká és pozitronmá, akkor az anti-X-nek két megfelelõ útvonalon kell haladnia: két anti-up kvark vagy lefelé kvarc és egy elektron. Fontos különbség van, amely megengedett, ha a C- és a CP megtört: X valószínűbb, hogy két felfelé kvarkká bomlik, mint az anti-X két felfelé kárkákká, míg az anti-X nagyobb valószínűséggel bomlik lefelé kvarkká és elektronmá. mint X - egy anti-up kvarcba és pozitronba.
Ha elegendő számú párral bomlik és így bomlik, akkor könnyedén megkaphatja a baryonfelesleget az antiteronokon (és a leptonokat az antileptonok felett), ahol még nem volt ilyen.
Ez csak egy példa annak szemléltetésére, hogy mi történt. Egy teljesen szimmetrikus univerzummal kezdtük, amely betartotta az összes ismert fizikai törvényt, és egy forró, sűrű, gazdag állapotban, amelyet egyenlő mennyiségben töltöttünk be az anyag és az antianyag. Egy olyan mechanizmus révén, amelyet még meg kell határoznunk, és Szaharov három feltételének betartása mellett, ezek a természetes folyamatok végül az anyag túlzott mennyiségét teremtették az antianyaghoz képest.
Vitathatatlan az a tény, hogy létezünk és anyagból készülünk; az a kérdés, hogy miért világegyetemünk tartalmaz valamit (anyagot), és nem semmit (elvégre az anyag és az antianyag egyenlően oszlanak meg). Talán ebben a században találjuk meg a választ erre a kérdésre.
Ilya Khel