общ

Във вселената почти няма антиматерия. Защо?

Когато погледнем към Вселената, на всичките й планетии звезди, галактики и купове, газ, прах, плазма, ние виждаме едни и същи сигнатури навсякъде. Виждаме линии на атомна абсорбция и емисия, виждаме, че материята взаимодейства с други форми на материята, виждаме образуването на звезди и смъртта на звезди, сблъсъци, рентгенови лъчи и много други. Има очевиден въпрос, който изисква обяснение: защо виждаме всичко това? Ако законите на физиката диктуват симетрията между материя и антиматерия, Вселената, която наблюдаваме, не би трябвало да съществува.

Но ние сме тук и никой не знае защо.

Защо във Вселената няма антиматерия?

Помислете за тези две противоречиви, на пръв поглед факти:

  • Всяко взаимодействие между частици ниенякога са били наблюдавани при всяка енергия, никога не са били създадени и не са унищожили една частица материя, без да създават или унищожават равен брой частици аниматор. Физическата симетрия между материя и антиматерия е много строга, защото:
    • всеки път, когато създаваме кварк или лептон, създаваме и антикварт и антилептон;
    • всеки път, когато се разруши кварк или лептон, също се унищожава антикварта или антилептон;
    • създали или унищожили лептони и антилептонитрябва да бъде в баланс по цялото семейство Letpons и всеки път, когато кварк или лептон взаимодействат, се сблъскват или гние, общият брой на кварките и лептоните в края на реакцията (кварки минус антикварки, лептони минус антилептони) ,

    Единственият начин да се промени количеството на материята във Вселената също предполага промяна в количеството на антиматерията със същото количество.

    И все пак има втори факт.

  • Когато гледаме на Вселената, на всички звезди,галактики, газови облаци, клъстери, суперкластери и големи структури, изглежда, че всичко това е съставено от материя, а не от антиматерия. Навсякъде и навсякъде, където във Вселената се намират антиматерия и материя, се получава фантастично освобождаване на енергия поради унищожаването на частиците.
  • Но не виждаме никакви признаци на разрушение.вещества с антиматерия в най-голям мащаб. Не виждаме индикация, че някои от звездите, галактиките или планетите, които виждаме, са направени от антиматерия. Ние не виждаме характерните гама лъчи, които човек би очаквал да види дали антиматерията ще се сблъска с материята и ще ги унищожи. Вместо това навсякъде виждаме само материята, където и да погледнете.

    И изглежда невъзможно. От една страна, няма известен начин да се направи повече материя, отколкото антиматерия, ако се обърнем към частиците и тяхното взаимодействие във Вселената. От друга страна, всичко, което виждаме, определено е съставено от вещество, а не от антиматерия.

    Всъщност ние наблюдавахме унищожаването на материята иантиматерия в някои екстремни астрофизични условия, но само в близост до хипер-енергийни източници, които произвеждат материя и антиматерия в равни количества - черни дупки, например. Когато антиматерията се сблъска с материята във вселената, тя произвежда гама лъчи на много специфични честоти, които можем да открием. Междузвездната междугалактическа среда е пълна с материал, а пълното отсъствие на тези гама-лъчи е силен сигнал, че никога няма голямо количество частици антиматерия, тъй като тогава ще се открие подпис на материя-антиматерия.

    Ако хвърлите един битов антиматерия в нашияще продължи около 300 години, преди да бъде унищожена от частица материя. Това ограничение ни казва, че в Млечния път количеството антиматерия не може да надвишава стойността на 1 частица на квадрилион (1015), спрямо общото количество вещество.

    На голям мащаб - сателитни везнигалактики, големи галактики с размерите на Млечния път и дори групи от галактики - ограниченията са по-малко строги, но все още много силни. Наблюдавайки разстояния от няколко милиона светлинни години до три милиарда светлинни години, наблюдавахме липса на рентгенови лъчи и гама лъчи, които биха могли да показват унищожаването на материята и антиматерията. Дори и в голям космологичен мащаб, 99,999% от това, което съществува в нашата Вселена, определено ще бъде представено от материя (както ние сме), а не от антиматерия.

    Как се озовахме в такава ситуация?Вселената се състои от голямо количество материя и не съдържа почти никаква антиматерия, ако законите на природата са абсолютно симетрични между материята и антиматерията? Е, има две възможности: или Вселената е родена с повече материя, отколкото антиматерия, или нещо се е случило на ранен етап, когато Вселената е била много гореща и плътна, и е довело до асиметрия на материята и антиматерията, която не е била там.

    Първата идея да се провери научно без пресъздаванецялата вселена ще се провали, но втората е много убедителна. Ако нашата Вселена някак си е създала асиметрия на материята и антиматерията там, където първоначално не е била там, тогава действащите правила ще останат непроменени днес. Ако сме достатъчно умни, можем да разработим експериментални тестове, които разкриват произхода на материята в нашата Вселена.

    В края на 60-те години физикът Андрей Сахаров идентифицира три условия, необходими за бариогенезата или създаването на повече бариони (протони и неутрони) от антибарионите. Ето ги:

  • Вселената трябва да бъде неравновесна система.
  • Трябва да съдържа нарушение на С и CP.
  • Трябва да има взаимодействия, които нарушават барионния номер.
  • Първата е проста, защото се разширява иохлаждащата Вселена с нестабилни частици в нея (и античастици), по дефиниция, няма да бъде балансирана. Второто също е просто, тъй като С-симетрията (заместване на частици с античастици) и СР-симетрия (заместване на частици с огледално отразени античастици) се нарушава в много слаби взаимодействия, включващи странни, омагьосани и красиви кварки.

    Остава въпросът как да се прекъсне барионния номер. Експериментално, ние наблюдавахме, че балансът на кварките с антикварките и лептоните към антилептоните е ясно запазен. Но в Стандартния модел на физиката на елементарните частици не съществува изричен закон за запазване на всяко от тези количества поотделно.

    Необходими са три кварка, за да се направи барионза всеки три кварка, ние присвояваме барионно число (B) 1. По същия начин, всеки лептон ще получи лептонов номер (L) 1. Антикварките, анти-барионите и антилептоните ще имат отрицателни числа B и L.

    Но според правилата на стандартния моделсамо разликата между барионите и лептоните. При подходящите обстоятелства можете не само да създадете допълнителни протони, но и да им подадете електрони. Точните обстоятелства са неизвестни, но Големият взрив им е дал възможност да се материализират.

    Първите етапи на Вселенатате са описани с невероятно високи енергии: достатъчно високи, за да създадат всяка известна частица и античастица в големи количества според известната формула на Айнщайн E = mc2. Ако създаването и унищожаването на частиците действа така, както мислим, ранната Вселена трябваше да бъде изпълнена с еднакъв брой частици материя и антиматерия, които се превръщаха един в друг, защото наличната енергия остана изключително висока.

    С разширяването и охлаждането на Вселенатанестабилните частици, създадени в изобилие, ще се срутят. Ако са изпълнени правилните условия - по-специално, трите условия на захарите - това може да доведе до излишък на вещество над антиматерията, дори ако първоначално не е бил там. Предизвикателството за физиците е да създадат жизнеспособен сценарий, съобразен с наблюденията и експериментите, който може да ви даде достатъчно излишък на материя от антиматерията.

    Съществуват три основни възможности за появата на това излишно вещество над антиматерията:

    • Новата физика в електрослабата скала можезначително увеличаване на броя на С- и СР-нарушения във Вселената, което ще доведе до асиметрия между материя и антиматерия. Взаимодействията на стандартния модел (чрез сфалероновия процес), които нарушават B и L поотделно (но задържат B-L), могат да създадат необходимите обеми бариони и лептони.
    • Нова физика на неутрино при високи енергии, накоето вселената ни подсказва, може да създаде фундаментална асиметрия на лептоните: лептогенеза. Сфалероните, запазващи B-L, могат да използват асиметрията на лептона, за да създадат барионна асиметрия.
    • Или бариогенеза в мащаба на теорията на голямото обединение, ако нова физика (и нови частици) съществуват в мащаба на голямото обединение, когато електрослабата сила се комбинира със силните.

    Тези сценарии имат общи елементи, затова нека погледнем последното, само за пример, за да разберем какво може да се случи.

    Ако теорията за голямото обединение е вярна,да бъдат нови, супер-тежки частици, наречени X и Y, които имат и барионно-подобни и лептонови свойства. Техните партньори от антиматерията също трябва да бъдат: anti-X и anti-Y, с противоположни числа B - L и противоположни заряди, но със същата маса и живот. Тези двойки частици-античастици могат да бъдат създадени в големи количества при достатъчно високи енергии, за да се разпадне впоследствие.

    Така че ние изпълваме вселената с тях, а след това тесе разпадат. Ако имаме С и СР нарушения, може да има малки разлики в начина на разпадане на частиците и античастиците (X, Y и анти-X, анти-Y).

    Ако X-частицата има два начина: се разпада на два горни кварка или два антикварни кварка и позитрон, след което анти-Х трябва да премине през два подходящи начина: два анти-върхови кварка или дънен кварк и електрон. Съществува важна разлика, която е позволена, когато се нарушават С- и СР: Х е по-вероятно да се раздели на два горни кварка, отколкото на анти-Х на два анти-горни кварка, докато анти-Х е по-вероятно да пробие в по-нисък кварк и електрон от X - върху анти-топ кварк и позитрон.

    С достатъчен брой двойки и разпад по този начин, лесно можете да получите излишък от бариони над антибарионите (и лептоните над антилептоните), където той не е бил там преди.

    Това е само един пример, илюстриращ нашияидея за случилото се. Започнахме с напълно симетрична Вселена, подчинявайки се на всички познати закони на физиката и с горещо, плътно, богато състояние, пълно с материя и антиматерия в равни количества. Използвайки механизма, който все още не сме установили, при спазване на трите условия на Сахаров, тези природни процеси в крайна сметка създадоха излишък на вещество над антиматерията.

    Фактът, че ние съществуваме и се състои от материянеоспорим; Въпросът е защо нашата Вселена съдържа нещо (материя), а не нищо (в края на краищата материята и антиматерията са еднакво разделени). Може би в този век ще намерим отговор на този въпрос.

    Защо мислите, че във Вселената почти няма антиматерия? Разкажете ни в нашия чат в Telegram.