لا يوجد تقريبا أي مادة مضادة في الكون. لماذا؟

عندما ننظر إلى الكون ، في جميع كواكبهاوالنجوم والمجرات والمجموعات ، الغاز ، الغبار ، البلازما ، نرى نفس التواقيع في كل مكان. نرى خطوط الامتصاص الذري والانبعاثات ، ونرى أن المادة تتفاعل مع أشكال أخرى من المادة ، ونرى تكوين النجوم وموت النجوم والتصادمات والأشعة السينية وأكثر من ذلك بكثير. هناك سؤال واضح يتطلب تفسيراً: لماذا نرى كل هذا؟ إذا كانت قوانين الفيزياء تملي التماثل بين المادة والمادة المضادة ، فيجب ألا يكون الكون الذي نلاحظه موجودًا.

لكننا هنا ، ولا أحد يعرف السبب.

لماذا لا يوجد مادة مضادة في الكون؟

فكر في هاتين الحالتين المتناقضتين للوهلة الأولى:

كل تفاعل بين الجسيمات نحنمن أي وقت مضى لوحظ في أي طاقة ، لم يخلق أبدا ولم يدمر جسيم واحد من المادة ، دون خلق أو تدمير عدد مساوٍ من جزيئات المادة المتحركة. التماثل المادي بين المادة والمادة المضادة صارم للغاية ، لأنه:

• في كل مرة نصنع كوارك أو لبتون ، ننتج أيضًا كلاً من antiquark و antilepton ؛
• في كل مرة يتم فيها تدمير الكوارك أو اللبتون ، يتم أيضًا تدمير الكونتارك أو أنتيلتون ؛
• خلق أو تدمير اللبتونات ومضادات الفطرياتيجب أن تكون متوازنة في جميع أنحاء عائلة Letpons بأكملها ، وفي كل مرة يتفاعل فيها كوارك أو لبتون ، يصطدم أو يتحلل ، يكون إجمالي عدد الكواركات واللبتونات في نهاية التفاعل (الكواركات ناقصًا العلامات الأثرية ، اللبتونات ناقص antileptons) وسيظل كما كان في البداية .

إن الطريقة الوحيدة لتغيير مقدار المادة في الكون تتضمن ضمناً تغيير في كمية المادة المضادة بنفس الكمية.

وحتى الآن ، هناك حقيقة ثانية.

عندما ننظر إلى الكون ، في كل النجوم ،المجرات ، سحب الغاز ، التجمعات ، التجمعات الفائقة ، والهياكل واسعة النطاق ، يبدو أن كل هذا يتكون من المادة ، وليس المادة المضادة. في كل مكان وفي كل مكان ، حيث توجد المادة المضادة والمادة في الكون ، يحدث إطلاق رائع للطاقة بسبب إبادة الجسيمات.

لكننا لا نرى أي علامات دمار.المواد المضادة في أكبر نطاق. لا نرى أي إشارة إلى أن بعض النجوم أو المجرات أو الكواكب التي نراها مصنوعة من مادة مضادة. لا نرى أشعة جاما المميزة ، والتي يتوقع المرء أن يرى ما إذا كانت المادة المضادة ستصطدم بالمادة وتبيدها. بدلا من ذلك ، في كل مكان نرى المسألة فقط ، أينما نظرتم.

ويبدو مستحيلاً. من ناحية ، لا توجد طريقة معروفة لجعل المادة أكثر من المادة المضادة ، إذا لجأنا إلى الجسيمات وتفاعلها في الكون. من ناحية أخرى ، كل شيء نراه يتكون بالتأكيد من مادة ، وليس مادة مضادة.

في الواقع ، لاحظنا إبادة المسألة والمادة المضادة في بعض الظروف الفلكية الفيزيائية القاسية ، ولكن فقط بالقرب من مصادر الطاقة المفرطة التي تنتج المادة والمواد المضادة بكميات متساوية - الثقوب السوداء ، على سبيل المثال. عندما تصطدم المادة المضادة بالمادة الموجودة في الكون ، فإنها تنتج أشعة جاما بترددات محددة للغاية يمكننا اكتشافها بعد ذلك. الوسيط بين النجوم بين المجرات مليء بالمواد ، والغياب التام لأشعة جاما هذه إشارة قوية على عدم وجود كمية كبيرة من جزيئات المادة المضادة أبدًا ، حيث يتم اكتشاف توقيع المادة المضادة.

إذا رميت قطعة واحدة من المادة المضادة في منطقتناالمجرة ، وسوف تستمر حوالي 300 سنة قبل أن يتم تدميرها من قبل جسيمات المادة. يخبرنا هذا القيد أنه في درب التبانة لا يمكن أن تتجاوز كمية المادة المضادة قيمة جسيم واحد لكل كوادريليون (1015) ، نسبة إلى إجمالي كمية المادة.

على نطاق واسع - جداول الأقمار الصناعيةالمجرات ، المجرات الكبيرة بحجم مجرة ​​درب التبانة وحتى مجموعات المجرات - القيود أقل صرامة ، لكنها لا تزال قوية للغاية. من خلال مراقبة المسافات من عدة ملايين سنة ضوئية إلى ثلاثة مليارات سنة ضوئية ، لاحظنا نقصًا في الأشعة السينية وأشعة جاما ، مما قد يشير إلى إبادة المادة والمواد المضادة. حتى على النطاق الكوسمولوجي الكبير ، فإن 99.999٪ مما هو موجود في عالمنا سيمثل بالتأكيد بالمواد (كما نحن) ، وليس بالمواد المضادة.

كيف وجدنا أنفسنا في مثل هذه الحالة التييتكون الكون من كمية كبيرة من المادة ولا يحتوي على مادة مضادة تقريبًا ، إذا كانت قوانين الطبيعة متماثلة تمامًا بين المادة والمادة المضادة؟ حسنًا ، هناك خياران: إما أن يكون الكون مولودًا أكثر من المادة المضادة ، أو حدث شيء ما في مرحلة مبكرة ، عندما كان الكون حارًا وكثيفًا للغاية ، وأدى إلى عدم تناسق المادة والمادة المضادة ، وهو ما لم يكن موجودًا.

الفكرة الأولى للتحقق علميا دون إعادةسوف يفشل الكون كله ، لكن الثاني مقنع للغاية. إذا كان كوننا قد خلق بطريقة ما عدم تناسق بين المادة والمادة المضادة حيث لم يكن موجودًا في الأصل ، فستبقى القواعد التي نجحت في ذلك الوقت كما هي دون تغيير. إذا كنا أذكياء بما فيه الكفاية ، يمكننا تطوير اختبارات تجريبية تكشف عن أصل المادة في عالمنا.

في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، حدد الفيزيائي أندريه ساخاروف ثلاثة شروط ضرورية لتكوين البكتيريا أو إنشاء المزيد من الباريونات (البروتونات والنيوترونات) أكثر من الباريونات المضادة. ها هم:

يجب أن يكون الكون نظامًا غير متوازن.

يجب أن يحتوي على انتهاك C و CP.

يجب أن يكون هناك تفاعلات تنتهك رقم baryon.

الأول بسيط لأنه يتوسع والكون التبريد مع جزيئات غير مستقرة فيه (والجسيمات المضادة) ، بحكم التعريف ، سوف يكون في حالة توازن. والثاني بسيط أيضاً ، لأن التناظر C (استبدال الجسيمات بالجسيمات المضادة) والتماثل CP (استبدال الجسيمات بالجسيمات المضادة المنعكسة بشكل خاص) تنتهك في العديد من التفاعلات الضعيفة التي تتضمن كواركات غريبة ، ساحرة وجميلة.

يبقى السؤال كيفية كسر عدد baryon. تجريبيا ، لاحظنا أن توازن الكواركات مع التحف واللبتونات المضادة للileنileptتونات يُحفظ بوضوح. لكن في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية ، لا يوجد قانون واضح للحفظ لأي من هذه الكميات بشكل منفصل.

يستغرق ثلاث كواركات لعمل باريون ، لذلكلكل ثلاثة كواركات ، نقوم بتعيين رقم baryon (B) 1. بنفس الطريقة ، سيتلقى كل لبتون رقم lepton (L) 1. سيكون لـ Antiquarks و anti-baryons و antileptons أرقام سالبة B و L.

ولكن وفقا لقواعد النموذج القياسيفقط الفرق بين الباريونات و اللبتونات. في ظل الظروف المناسبة ، لا يمكنك فقط إنشاء بروتونات إضافية ، ولكن أيضًا إلكترونات لها. الظروف الدقيقة غير معروفة ، لكن الانفجار الكبير أعطاهم الفرصة لتحقيق ذلك.

المراحل الأولى من الكونيتم وصفها بواسطة طاقات عالية بشكل لا يصدق: عالية بما يكفي لإنشاء كل جسيم معروف والجسيم المضاد بكميات كبيرة وفقا لصيغة Einstein الشهيرة E = mc2. إذا كان إنشاء الجزيئات وتدميرها يعمل بالطريقة التي نفكر بها ، فيجب أن يكون الكون المبكر مملوءًا بعدد متساوٍ من جزيئات المادة والمادة المضادة ، التي تحولت إلى بعضها البعض ، لأن الطاقة المتاحة ظلت مرتفعة للغاية.

مع توسع وتبريد الكونالجزيئات غير المستقرة ، بمجرد إنشائها بكثرة ، سوف تنهار. إذا تم استيفاء الشروط المناسبة - على وجه الخصوص ، الشروط الثلاثة للسكريات - فإن هذا يمكن أن يؤدي إلى وجود فائض في المادة على المادة المضادة ، حتى لو لم يكن هناك أصلاً. التحدي الذي يواجه الفيزيائيين هو إنشاء سيناريو قابل للتطبيق ، بما يتوافق مع الملاحظات والتجارب ، والتي يمكن أن تعطيك فائض كافٍ من المادة على المادة المضادة.

هناك ثلاثة احتمالات رئيسية لحدوث هذه المادة الزائدة على المادة المضادة:

• الفيزياء الجديدة في مقياس electroweak يمكنزيادة كبيرة في عدد من انتهاكات C و CP في الكون ، الأمر الذي سيؤدي إلى عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة. يمكن أن تؤدي تفاعلات النموذج القياسي (من خلال عملية sphaleron) ، التي تنتهك B و L بشكل فردي (ولكن تحتفظ B - L) ، إلى إنشاء الكميات المطلوبة من الباريونات واللبتونات.
• فيزياء النيوترينو جديدة في الطاقات العالية ، علىالذي يلمح الكون إلينا يمكن أن يخلق عدم تناسق أساسي للبتونات: تكوين اللبنات. ثم يمكن استخدام Sphalerone B - L باستخدام عدم تناسق اللبتون لإنشاء عدم تناسق الباريون.
• أو التولد الحيوي على مقياس نظرية التوحيد الكبير ، إذا كانت هناك فيزياء جديدة (وجزيئات جديدة) على مقياس التوحيد الكبير ، عندما تتحد قوة الضعيف الكهربائي مع القوي.

تحتوي هذه السيناريوهات على عناصر مشتركة ، لذلك دعونا ننظر إلى الأخير ، فقط من أجل المثال ، لفهم ما يمكن أن يحدث.

إذا كانت نظرية التوحيد الكبير صحيحة ،لتكون جزيئات جديدة فائقة الثقل ، تسمى X و Y ، لها خصائص تشبه الباريون وتشبه اللبتون. يجب أن يكون شركاؤهم من المادة المضادة أيضًا: Anti-X و Anti-Y ، بأرقام معاكسة B - L وشحنات معاكسة ، ولكن بنفس الكتلة وعمرها. يمكن إنشاء أزواج الجسيمات المضادة للجسيمات بكميات كبيرة وبطاقات عالية بما فيه الكفاية لتتحلل لاحقًا.

لذلك نحن نملأ الكون معهم ، وبعد ذلك همينهار. إذا كان لدينا انتهاكات C و CP ، فقد تكون هناك اختلافات طفيفة في كيفية تحلل الجزيئات والجسيمات المضادة (X ، Y و Anti-X ، anti-Y).

إذا كان للجسيمات X طريقتان: تتحلل إلى كواركين علويين أو كواركين مضادين للجزء السفلي وبوزيترون ، ثم يجب أن تنتقل المضاد لـ X بطريقتين مناسبتين: كواركتان مضادتان للجزء العلوي أو كوارك سفلي وإلكترون. هناك فرق مهم يُسمح به عند انتهاك C- و CP: من المحتمل أن تنقسم X إلى كواركتين علويتين أعلى من مضاد X إلى كواركين مضادين للجزء العلوي ، بينما من المحتمل أن تنقسم Anti-X إلى كوارك أقل وإلكترون ، من X - على كوارك مكافحة أعلى وبوزيترون.

مع وجود عدد كافٍ من الأزواج والانحلال بهذه الطريقة ، يمكنك بسهولة الحصول على فائض من الباريونات على مضادات الجراثيم (وليبتونات على مضادات الجراثيم) ، حيث لم تكن موجودة من قبل.

هذا مجرد مثال واحد يوضح لنافكرة عما حدث. لقد بدأنا بعالم متماثل تمامًا ، مطيعًا جميع قوانين الفيزياء المعروفة ، وحالة غنية وكثيفة وغنية مليئة بالمادة والمواد المضادة بكميات متساوية. باستخدام الآلية التي لم نحددها بعد ، وفقًا لشروط ساخاروف الثلاثة ، خلقت هذه العمليات الطبيعية في نهاية المطاف فائض من المادة على المادة المضادة.

حقيقة وجودنا ويتكون من المسألةلا يمكن إنكاره. والسؤال هو لماذا يحتوي كوننا على شيء (مادة) ، وليس أي شيء (بعد كل شيء ، تم تقسيم المادة والمادة المضادة بالتساوي). ربما سنجد في هذا القرن إجابة لهذا السؤال.

لماذا تعتقد أنه لا يوجد تقريباً أي مادة مضادة في الكون؟ أخبرنا في محادثتنا في Telegram.