Der er næsten ingen antimatter i universet. Hvorfor?

Når vi ser på universet, på alle dets planeterog stjerner, galakser og klynger, gas, støv, plasma ser vi de samme signaturer overalt. Vi ser linjer for atomabsorption og emission, vi ser at materien interagerer med andre former for materiel, vi ser stjernedannelse og død af stjerner, kollisioner, røntgenbilleder og meget mere. Der er et indlysende spørgsmål, der kræver en forklaring: Hvorfor ser vi alt dette? Hvis fysikkens love dikterer symmetrien mellem materie og antimatter, bør det univers, vi observerer, ikke eksistere.

Men vi er her, og ingen ved hvorfor.

Hvorfor er der ingen antimatter i universet?

Tænk over disse to modstridende, ved første øjekast fakta:

Hver interaktion mellem partikler vier nogensinde blevet observeret ved enhver energi, aldrig skabt og ødelagde ikke en partikel af materie uden at skabe eller ødelægge et lige antal animatorkomponenter. Fysisk symmetri mellem materiel og antimatter er meget streng, fordi:

• hver gang vi laver en kvark eller lepton skaber vi også antikvark og antilepton;
• hver gang en kvark eller lepton ødelægges, ødelægges en antikvark eller antilepton også;
• skabt eller ødelagt leptoner og antileptonerskal være i balance i hele Letpons familien, og hver gang en kvark eller lepton interagerer, kolliderer eller forfalder, skal det samlede antal kvarker og leptoner ved reaktionens slutning (kvark minus antikvark, leptoner minus antileptoner) være og vil være det samme som det var i begyndelsen .

Den eneste måde at ændre mængden af ​​materiel i universet indebar også en ændring i mængden af ​​antimateriel med samme beløb.

Og alligevel er der en anden kendsgerning.

Når vi ser på universet, på alle stjernerne,galakser, gasskyer, klynger, superclusters og storskala strukturer, ser det ud til, at alt dette består af materie, ikke antimateriel. Overalt og overalt, hvor antimatter og materiel findes i universet, opstår der en fantastisk energiudløsning på grund af udslettelsen af ​​partikler.

Men vi ser ingen tegn på ødelæggelse.antimatterstoffer i stor skala. Vi ser ingen indikation på, at nogle af stjernerne, galakserne eller planeterne vi ser er lavet af antimateriel. Vi ser ikke de karakteristiske gammastråler, som man ville forvente at se, om antimatter ville kollidere med materie og udslette. I stedet overalt ser vi kun, uanset hvor du ser ud.

Og det virker umuligt. På den ene side er der ingen kendt måde at gøre mere sagen end antimatter, hvis vi vender os til partikler og deres interaktion i universet. På den anden side er alt, hvad vi ser, absolut sammensat af et stof, ikke antimateriel.

Faktisk har vi observeret udslettelsen af ​​materie ogantimateriel i nogle ekstreme astrofysiske forhold, men kun nær ved hyper-energikilder, der producerer materiel og antimatter i lige store mængder - f.eks. sorte huller. Når antimatteren kolliderer med materie i universet, producerer det gammastråler med meget specifikke frekvenser, som vi så kan opdage. Det interstellære intergalaktiske medium er fyldt med materiale, og det fuldstændige fravær af disse gammastråler er et stærkt signal om, at der aldrig er en stor mængde antimatterpartikler, siden da en signatur af materie-antimatter ville blive detekteret.

Hvis du smider en smule antimatter ind i voresgalakse, det vil vare omkring 300 år, før det ødelægges af en partikel af stof. Denne begrænsning fortæller os, at mængden af ​​antimatter i mælkevejen ikke kan overstige værdien af ​​1 partikel pr. Quadrillion (1015) i forhold til den samlede mængde stof.

I stor skala - satellitskalaergalakser, store galakser af størrelsen af ​​Mælkevejen og endog klynger af galakser - begrænsningerne er mindre strenge, men stadig meget stærke. Når vi observerede afstande fra flere millioner lysår til tre milliarder lette år, observerede vi mangel på røntgenbilleder og gammastråler, hvilket kunne tyde på udslettelse af materiel og antimateriel. Selv på en stor kosmologisk skala vil 99,999% af det, der findes i vores univers, absolut være repræsenteret af materie (som vi er) og ikke ved antimatter.

Hvordan fandt vi os i en sådan situation, atUniverset består af en stor mængde materie og indeholder næsten ingen antimatter, hvis naturens love er helt symmetriske mellem materie og antimatter? Nå er der to muligheder: Universet blev født med mere materiel end antimatter, eller der skete noget tidligt, da universet var meget varmt og tæt og gav anledning til asymmetrien af ​​materie og antimatter, som ikke var der.

Den første ide at kontrollere videnskabeligt uden at genskabehele universet vil mislykkes, men det andet er meget overbevisende. Hvis vores univers på en eller anden måde skabte en asymmetri af materie og antimateri, hvor den ikke var der oprindeligt, vil de regler, der fungerede derefter, forblive uændrede i dag. Hvis vi er kloge nok, kan vi udvikle eksperimentelle tests, der afslører materiens oprindelse i vores univers.

I slutningen af ​​1960'erne identificerede fysiker Andrei Sakharov tre betingelser, der var nødvendige for baryogenese eller skabelsen af ​​flere baryoner (protoner og neutroner) end anti-baryoner. Her er de:

Universet skal være et ikke-ligevægtssystem.

Det skal indeholde C og CP krænkelse.

Der skal være interaktioner, der krænker baryon nummeret.

Den første er enkel fordi den udvider ogkøleuniverset med ustabile partikler i det (og antipartikler) vil pr. definition være ude af balance. Den anden er også enkel, fordi C-symmetri (udskiftning af partikler med antipartikler) og CP-symmetri (udskiftning af partikler med specielt reflekterede antipartikler) er krænket i mange svage interaktioner, der involverer mærkelige, fortryllede og smukke kvarker.

Spørgsmålet er, hvordan man skal bryde baryon nummeret. Eksperimentelt set observerede vi, at balancen af ​​kvarker til antikviteter og leptoner til antileptoner klart bevares. Men i standardmodellen for elementarpartikelfysik er der ingen eksplicit bevarelseslov for nogen af ​​disse mængder særskilt.

Det tager tre kvarker at lave en baryon, såfor hver tredje kvark tildeler vi et baryonnummer (B) 1. På samme måde vil hver lepton modtage et leptonnummer (L) 1. Antikviteter, anti-baryoner og anti-blint vil have negative tal B og L.

Men ifølge reglerne i standardmodellenkun forskellen mellem baryoner og leptoner. Under de rette omstændigheder kan du ikke kun oprette yderligere protoner, men også elektroner til dem. De nøjagtige omstændigheder er ukendte, men Big Bang gav dem mulighed for at realisere.

De allerførste faser af universetde beskrives med utroligt høje energier: højt nok til at skabe alle kendte partikler og antipartikler i store mængder ifølge Einsteins berømte formel E = mc2. Hvis skabelsen og ødelæggelsen af ​​partikler virker som vi tror, ​​burde det tidlige univers være blevet fyldt med et lige antal partikler af materiel og antimateriel, som blev til hinanden, fordi den tilgængelige energi forblev ekstremt høj.

Med universets udvidelse og afkølingustabile partikler, der en gang er skabt i overflod, vil falde sammen. Hvis de rette betingelser er opfyldt - især de tre betingelser for sukkerarter - dette kan føre til overskud af stof over antimatter, selv om det ikke var oprindeligt der. Udfordringen for fysikere er at skabe et levedygtigt scenario i overensstemmelse med observationer og eksperimenter, som kan give dig et tilstrækkeligt overskud af materiale over antimateriel.

Der er tre hovedmuligheder for forekomsten af ​​dette overskydende stof over antimateriel:

• Den nye fysik i electroweak skalaen kanvæsentligt øge antallet af C- og CP-krænkelser i universet, hvilket vil føre til asymmetri mellem materie og antimateriel. Standardmodelinteraktioner (gennem sphaleronprocessen), som krænker B og L individuelt (men bibeholder B - L), kan skabe de nødvendige mængder baryoner og leptoner.
• Ny neutrino fysik ved høje energier, påsom universet antyder på os, kunne skabe en fundamental asymmetri af leptoner: leptogenese. Sphaleron bevaring af B - L kunne derefter bruge lepton asymmetri til at skabe baryon asymmetri.
• Eller baryogenese på omfanget af teorien om stor forening, hvis der findes ny fysik (og nye partikler) på storforeningens skala, når elektroveakstyrken kombinerer med den stærke.

Disse scenarier har fælles elementer, så lad os se på den sidste, bare for eksemplets skyld, for at forstå, hvad der kunne være sket.

Hvis teorien om stor forening er korrekt,at være nye, super-tunge partikler, kaldet X og Y, der har både baryonlignende og leptonlignende egenskaber. Deres partnere fra antimatter bør også være: anti-X og anti-Y, med modsatte tal B-L og modsatte ladninger, men med samme masse og levetid. Disse partikel-antipartikelpar kan opbygges i store mængder ved tilstrækkeligt høje energier til efterfølgende henfald.

Så vi fylder universet med dem, og derefter defalde fra hinanden. Hvis vi har C- og CP-overtrædelser, kan der være små forskelle i, hvordan partikler og antipartikler forfalder (X, Y og anti-X, anti-Y).

Hvis X-partiklen har to måder: forfald i to top kvarker eller to anti-bund kvarker og en positron, så anti-X skal gå gennem to passende måder: to anti-top kvarker eller en bund kvark og en elektron. Der er en vigtig forskel, der er tilladt, når C- og CP-krænkelser: X kan sandsynligvis opdeles i to øvre kvarker end anti-X i to anti-øvre kvarker, mens anti-X er mere tilbøjelige til at bryde ind i lavere kvark og en elektron , end X - on anti-top quark og positron.

Med et tilstrækkeligt antal par og forfald på denne måde kan du nemt få et overskud af baryoner over antibaryoner (og leptoner over antileptoner), hvor det ikke var der før.

Dette er blot et eksempel, der illustrerer voresidé om, hvad der skete. Vi startede med et helt symmetrisk univers, som adlyder alle kendte fysiske love, og med en varm, tæt og rig stat, der er fyldt med materie og antimatter i lige store mængder. Ved hjælp af den mekanisme, som vi endnu ikke har bestemt, underlagt de tre betingelser i Sakharov, skabte disse naturlige processer i sidste ende et overskud af substans over antimateriel.

Det faktum at vi eksisterer og består af materieubestridelig; spørgsmålet er derfor, at vores univers indeholder noget (materie), og ikke noget (trods alt er materie og antimatter ligeligt opdelt). Måske i dette århundrede finder vi svaret på dette spørgsmål.

Hvorfor tror du der er næsten ingen antimatter i universet? Fortæl os i vores chat i Telegram.