Når vi ser på universet, på alle dets planeter og stjerner, galakser og klynger, gas, støv, plasma, ser vi de samme underskrifter overalt. Vi ser linjer med atomabsorption og emission, vi ser, at stof interagerer med andre former for stof, vi ser stjernedannelse og død af stjerner, kollisioner, røntgenstråler og meget mere. Der er et indlysende spørgsmål, der kræver forklaring: hvorfor ser vi alt dette? Hvis fysikkens love dikterer symmetri mellem stof og antimateriale, bør universet, vi observerer, ikke eksistere.
Men vi er her, og ingen ved hvorfor.
Hvorfor er der ingen antimaterie i universet?
Tænk på disse to tilsyneladende modstridende kendsgerninger:
- hver gang vi opretter en kvark eller lepton, opretter vi også et antikark og antilepton;
- hver gang en kvark eller lepton ødelægges, ødelægges også et antikark eller antilepton;
- oprettede eller ødelagte leptoner og antileptoner skal være i balance på tværs af hele sommerponfamilien, og hver gang en kvark eller lepton interagerer, kolliderer eller henfalder, skal og skal det samlede antal kvarker og leptoner ved afslutningen af reaktionen (kvark minus antikvarker, leptoner minus antileptoner) være det samme som det var i begyndelsen.
Den eneste måde at ændre mængden af stof i universet var også at ændre mængden af antimaterie med den samme mængde.
Og alligevel er der en anden kendsgerning.
Men vi ser ikke nogen tegn på ødelæggelse af stof med antimaterie i største skala. Vi ser ingen tegn på, at nogle af de stjerner, galakser eller planeter, vi observerer, er lavet af antimaterie. Vi ser ikke de karakteristiske gammastråler, som man kunne forvente at se, hvis antimateriale kolliderede med stof og udslettet. I stedet ser vi kun stof overalt, vi ser.
Salgsfremmende video:
Og det synes umuligt. På den ene side er der ingen kendt måde at gøre mere stof end antimaterie ved at se på partikler og deres interaktion i universet. På den anden side er alt, hvad vi ser, bestemt lavet af stof, ikke antimaterie.
Faktisk har vi observeret udslettelse af stof og antimaterie under nogle ekstreme astrofysiske forhold, men kun i nærheden af hyperenergetiske kilder, der producerer stof og antimaterie i lige store mængder - for eksempel sorte huller. Når antimateriale kolliderer med stof i universet, producerer det gammastråler med meget specifikke frekvenser, som vi derefter kan registrere. Det interstellære intergalaktiske medium er fuldt af materiale, og det komplette fravær af disse gammastråler er et stærkt signal om, at der aldrig vil være meget mere antimaterielle partikler, da signaturen af antimateriale stof derefter ville blive opdaget.
Hvis du kaster en partikel antimaterie i vores galakse, vil den vare i cirka 300 år, før den ødelægges af en partikel af stof. Denne begrænsning fortæller os, at mængden af antimateriale i Mælkevejen ikke kan overstige 1 partikel pr. Quadrillion (1015) i forhold til den samlede mængde stof.
I stor skala - skalaen med satellitgalakser, store galakser på størrelse med Mælkevejen og endda klynger af galakser - er begrænsningerne mindre strenge, men stadig meget stærke. Når vi observerer afstande fra et par millioner lysår til tre milliarder lysår, har vi observeret en mangel på røntgenstråler og gammastråler, der kunne indikere udslettelse af stof og antimaterie. Selv i en stor kosmologisk skala vil 99.999% af hvad der findes i vores univers bestemt blive repræsenteret af stof (som vi er), ikke antimaterie.
Hvordan endte vi i en sådan situation, at universet består af en stor mængde stof og praktisk talt ikke indeholder antimateriale, hvis naturlovene er absolut symmetriske mellem materie og antimateriale? Nå, der er to muligheder: Enten blev universet født med mere stof end antimaterie, eller så skete der noget på et tidligt tidspunkt, hvor universet var meget varmt og tæt og gav anledning til en asymmetri af stof og antimaterie, som oprindeligt ikke eksisterede.
Den første idé kan ikke testes videnskabeligt uden at genskabe hele universet, men den anden er meget overbevisende. Hvis vores univers på en eller anden måde skabte en asymmetri af stof og antimaterie, hvor det ikke oprindeligt var, så vil reglerne, der fungerede så forblive uændrede i dag. Hvis vi er smarte nok, kan vi udvikle eksperimentelle tests, der afslører stofens oprindelse i vores univers.
I slutningen af 1960'erne identificerede fysiker Andrei Sakharov tre tilstande, der kræves til baryogenese, eller skabelsen af flere baryoner (protoner og neutroner) end antibaryoner. Her er de:
- Universet skal være et ikke-quilibrium system.
- Det skal have en C- og CP-overtrædelse.
- Der skal være interaktioner, der krænker baryon-nummeret.
Den første er let at observere, da et ekspanderende og afkølende univers med ustabile partikler i det (og antipartikler) pr. Definition vil være ude af ligevægt. Den anden er også enkel, fordi C-symmetri (udskiftning af partikler med antipartikler) og CP-symmetri (erstatning af partikler med specielt reflekterede antipartikler) er brudt i mange svage interaktioner, der involverer mærkelige, charmerede og smukke kvarker.
Spørgsmålet er stadig, hvordan man bryder baryonnummeret. Vi har eksperimentelt observeret, at balancen mellem kvarker og antikvarker og leptoner til antileptoner er klart bevaret. Men i standardmodellen for partikelfysik findes der ingen eksplicit bevaringslov for nogen af disse mængder separat.
Det kræver tre kvarker at fremstille en baryon, så for hver tre kvarker tildeler vi et baryonnummer (B) 1. Ligeledes får hvert lepton et leptonnummer (L) 1. Antikviteter, antibaryoner og antileptoner vil have negative B- og L-tal.
Men i henhold til reglerne i standardmodellen er der kun forskellen mellem baryoner og leptoner tilbage. Under de rigtige omstændigheder kan du ikke kun oprette yderligere protoner, men også elektroner til dem. De nøjagtige omstændigheder er ukendte, men Big Bang gav dem muligheden for at blive realiseret.
De allerførste stadier af universets eksistens er beskrevet af utroligt høje energier: høje nok til at skabe enhver kendt partikel og antipartikel i store mængder i henhold til Einsteins berømte formel E = mc2. Hvis det at skabe og ødelægge partikler fungerer som vi tror, ville det tidlige univers være nødvendigt at blive fyldt med et lige så stort antal partikler af stof og antimaterie, som gensidigt omdannes til hinanden, da den tilgængelige energi forblev ekstremt høj.
Når universet ekspanderer og afkøles, vil ustabile partikler, når de først er skabt i overflod, kollapse. Under de rigtige forhold - især de tre betingelser for sukkerarterne - kan dette føre til et overskud af stof i forhold til antimaterie, selvom det ikke oprindeligt var der. Udfordringen for fysikere er at skabe et levedygtigt scenario, der er i overensstemmelse med observation og eksperimentering, der kan give dig nok overskydende stof over antimateriale.
Der er tre hovedmuligheder for dette overskydende stof i forhold til antimaterie:
- Ny fysik i elektroweak skalaen kunne øge mængden af C- og CP-krænkelse i universet markant, hvilket vil føre til asymmetri mellem stof og antimaterie. SM-interaktioner (via sphaleron-processen), der krænker B og L individuelt (men bibeholder B-L), kan skabe de ønskede mængder af baryoner og leptoner.
- Den nye højenerginutrino-fysik, som universet antyder til, kunne skabe en grundlæggende asymmetri af leptoner: leptogenese. Sphalerons, der bevarer B - L, kan derefter bruge leptonasymmetri til at skabe baryon asymmetri.
- Eller baryogenese på den store enhedsskala, hvis den nye fysik (og nye partikler) eksisterer i den store enhedsskala, når elektro-strømstyrken kombineres med den stærke.
Disse scenarier har fælles elementer, så lad os tage et kig på det sidste, bare for at få et eksempel, for at forstå, hvad der kunne være sket.
Hvis den store enhedsteori er korrekt, skal der være nye, superheavy partikler kaldet X og Y, som har både baryonlignende og leptonlignende egenskaber. Der skulle også være deres partnere fra antimaterie: anti-X og anti-Y, med modsatte B - L-tal og modsatte ladninger, men med samme masse og levetid. Disse partikel-antipartikelpar kan skabes i store mængder ved energier, der er høje nok til efterfølgende henfald.
Så vi fylder universet med dem, og så går de i opløsning. Hvis vi har C- og CP-krænkelser, kan der være små forskelle i, hvordan partikler og antipartikler (X, Y og anti-X, anti-Y) henfalder.
Hvis X-partiklen har to stier: henfald i to op-kvark eller i to anti-ned-kvarker og en positron, skal anti-X gå gennem to tilsvarende stier: to anti-up-kvarker eller en down-quark og en elektron. Der er en vigtig forskel, der kan gøres, når C- og CP brydes: X kan være mere tilbøjelige til at nedbrydes i to op kvarker end anti-X til to anti-op kvark, mens anti-X er mere tilbøjelige til at nedbryde til et ned-kvark og en elektron end X - til en anti-up kvark og en positron.
Hvis du har nok par og forfald på denne måde, kan du let få et overskud af baryoner i forhold til antibaryoner (og lepton over antilepton), hvor der ikke var nogen før.
Dette er kun et eksempel for at illustrere vores forståelse af, hvad der skete. Vi startede med et fuldstændigt symmetrisk univers, adlyder alle de kendte fysiske love og med en varm, tæt, rig tilstand fyldt med stof og antimaterie i lige store mængder. Gennem en mekanisme, som vi endnu ikke har fastlagt, adlyder Sakharovs tre betingelser, skabte disse naturlige processer i sidste ende et overskud af stof i forhold til antimaterie.
Det faktum, at vi eksisterer og er fremstillet af materie, er ubestridelig; Spørgsmålet er, hvorfor vores univers indeholder noget (materie) og ikke noget (trods alt var materie og antimaterie lige store). Måske i dette århundrede vil vi finde svaret på dette spørgsmål.
Ilya Khel