Γενικά

Δεν υπάρχει σχεδόν αντιύλη στο σύμπαν. Γιατί

Όταν κοιτάζουμε το Σύμπαν, σε όλους τους πλανήτες τουκαι αστέρια, γαλαξίες και συστάδες, φυσικό αέριο, σκόνη, πλάσμα, βλέπουμε τις ίδιες υπογραφές παντού. Βλέπουμε γραμμές ατομικής απορρόφησης και εκπομπής, βλέπουμε ότι η ύλη αλληλεπιδρά με άλλες μορφές ύλης, βλέπουμε σχηματισμό αστέρι και θάνατο αστέρες, συγκρούσεις, ακτινογραφίες και πολλά άλλα. Υπάρχει μια προφανής ερώτηση που απαιτεί μια εξήγηση: γιατί βλέπουμε όλα αυτά; Αν οι νόμοι της φυσικής υπαγορεύσουν τη συμμετρία ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη, το σύμπαν που παρατηρούμε δεν πρέπει να υπάρχει.

Αλλά είμαστε εδώ, και κανείς δεν ξέρει γιατί.

Γιατί δεν υπάρχει αντιύλη στο σύμπαν;

Σκεφτείτε αυτά τα δύο αντιφατικά, με την πρώτη ματιά, γεγονότα:

  • Κάθε αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων που έχουμεέχουν ποτέ παρατηρηθεί σε οποιαδήποτε ενέργεια, ποτέ δεν δημιούργησαν και δεν κατέστρεψαν ένα σωματίδιο της ύλης, χωρίς να δημιουργήσουν ή να καταστρέψουν ίσο αριθμό σωματιδίων animatter. Η φυσική συμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης είναι πολύ αυστηρή, διότι:
    • κάθε φορά που δημιουργούμε ένα κουάρκ ή λεπτόν, δημιουργούμε επίσης αντίκουρκ και αντιλεπτόν.
    • κάθε φορά που καταστρέφεται ένα κουάρκ ή λεπτόν, καταστρέφεται επίσης ένα αντίκουρκ ή ένα αντιλεπτόν.
    • δημιούργησαν ή κατέστρεψαν λεπτόνια και αντιλεπτόνιαπρέπει να είναι σε ισορροπία σε όλη την οικογένεια Letpons και κάθε φορά που ένα κουάρκ ή λεπόνιο αλληλεπιδρούν, συγκρούονται ή αποσυντίθενται, ο συνολικός αριθμός κουάρκ και λεπτονίων στο τέλος της αντίδρασης (κουάρκ μείον αντικακάρες, λεπτόνια μείον αντιλεπτόνες) πρέπει να είναι και θα είναι ο ίδιος όπως ήταν στην αρχή .

    Ο μόνος τρόπος να αλλάξει η ποσότητα της ύλης στο Σύμπαν υποδήλωνε επίσης μια αλλαγή στο ποσό της αντιύλης κατά το ίδιο ποσό.

    Και όμως, υπάρχει ένα δεύτερο γεγονός.

  • Όταν κοιτάζουμε το Σύμπαν, σε όλα τα αστέρια,γαλαξίες, σύννεφα αερίων, συστάδες, υπερκλείστες και μεγάλης κλίμακας δομές, φαίνεται ότι όλα αυτά αποτελούνται από την ύλη και όχι από την αντιύλη. Παντού και παντού, όπου αντιθέτου και ουσίας βρίσκονται στο Σύμπαν, εμφανίζεται μια φανταστική απελευθέρωση ενέργειας λόγω της εξόντωσης των σωματιδίων.
  • Αλλά δεν βλέπουμε σημεία καταστροφής.ουσίες αντιύλης στη μεγαλύτερη κλίμακα. Δεν βλέπουμε καμία ένδειξη ότι μερικά από τα αστέρια, τους γαλαξίες ή τους πλανήτες που βλέπουμε είναι κατασκευασμένα από αντιύλη. Δεν βλέπουμε τις χαρακτηριστικές ακτίνες γάμμα, που θα περίμενε κανείς αν η αντιύλη θα συγκρουόταν με την ύλη και θα εκμηδενίστηκε. Αντ 'αυτού, οπουδήποτε βλέπουμε μόνο το θέμα, οπουδήποτε βλέπετε.

    Και φαίνεται αδύνατο. Από τη μία πλευρά, δεν υπάρχει κανένας γνωστός τρόπος για να κάνουμε περισσότερη ύλη από την αντιύλη, αν στραφούμε προς τα σωματίδια και την αλληλεπίδρασή τους στο Σύμπαν. Από την άλλη πλευρά, όλα όσα βλέπουμε είναι σίγουρα αποτελούμενα από μια ουσία, όχι από αντιύλη.

    Στην πραγματικότητα, παρατηρήσαμε την εξόντωση της ύλης καιαντιύλη σε ορισμένες ακραίες αστροφυσικές συνθήκες, αλλά μόνο κοντά σε υπερ-ενεργειακές πηγές που παράγουν ύλη και αντιύλη σε ίσες ποσότητες - μαύρες τρύπες, για παράδειγμα. Όταν η αντιύλη συγκρούεται με την ύλη στο σύμπαν, παράγει ακτίνες γάμμα πολύ συγκεκριμένων συχνοτήτων που μπορούμε να εντοπίσουμε στη συνέχεια. Το διαστρικό διαγαλαξιακό μέσο είναι γεμάτο από υλικό και η πλήρης απουσία αυτών των ακτίνων γάμμα είναι ένα ισχυρό μήνυμα ότι ποτέ δεν υπάρχει μεγάλη ποσότητα σωματιδίων αντιύλης, από τότε θα μπορούσε να ανιχνευθεί μια υπογραφή αντικειμενικής αντιύλης.

    Εάν πετάξετε ένα κομμάτι αντιύλης μέσα μαςγαλαξία, θα διαρκέσει περίπου 300 χρόνια πριν καταστραφεί από ένα σωματίδιο της ύλης. Αυτός ο περιορισμός μας λέει ότι στον Γαλαξία η ποσότητα της αντιύλης δεν μπορεί να υπερβεί την τιμή του 1 σωματιδίου ανά τετρακλίλιο (1015), σε σχέση με τη συνολική ποσότητα της ύλης.

    Σε μεγάλη κλίμακα - δορυφορικές κλίμακεςγαλαξίες, μεγάλους γαλαξίες μεγέθους του Γαλαξία και ακόμη και συστάδες γαλαξιών - οι περιορισμοί είναι λιγότερο αυστηροί, αλλά εξακολουθούν να είναι πολύ ισχυροί. Παρατηρώντας αποστάσεις από αρκετά εκατομμύρια έτη φωτός σε τρία δισεκατομμύρια έτη φωτός, παρατηρήσαμε έλλειψη ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα, που θα μπορούσαν να υποδηλώσουν την εκμηδένιση της ύλης και της αντιύλης. Ακόμη και σε μια μεγάλη κοσμολογική κλίμακα, το 99,999% αυτού που υπάρχει στο Σύμπαν μας σίγουρα θα εκπροσωπείται από την ύλη (όπως είμαστε) και όχι από την αντιύλη.

    Πώς βρισκόμαστε σε μια τέτοια κατάσταση πουΤο σύμπαν αποτελείται από μια μεγάλη ποσότητα ύλης και δεν περιέχει σχεδόν καμία αντιύλη, αν οι νόμοι της φύσης είναι απολύτως συμμετρικοί μεταξύ ύλης και αντιύλης; Λοιπόν, υπάρχουν δύο επιλογές: είτε το σύμπαν γεννήθηκε με περισσότερη ύλη από την αντιύλη, είτε κάτι συνέβη σε πρώιμο στάδιο, όταν το σύμπαν ήταν πολύ ζεστό και πυκνό και δημιούργησε την ασυμμετρία της ύλης και της αντιύλης, που δεν υπήρχε εκεί.

    Η πρώτη ιδέα να ελεγχθεί επιστημονικά χωρίς να αναδημιουργηθείολόκληρο το σύμπαν θα αποτύχει, αλλά το δεύτερο είναι πολύ πειστικό. Εάν το Σύμπαν μας δημιούργησε κάπως μια ασυμμετρία της ύλης και της αντιύλης, όπου δεν υπήρχε αρχικά, τότε οι κανόνες που λειτουργούσαν τότε θα παραμείνουν αμετάβλητοι σήμερα. Εάν είμαστε αρκετά έξυπνοι, μπορούμε να αναπτύξουμε πειραματικές δοκιμές που αποκαλύπτουν την προέλευση της ύλης στο σύμπαν μας.

    Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, ο φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ αναγνώρισε τρεις προϋποθέσεις απαραίτητες για τη βαριόνοια ή τη δημιουργία περισσότερων βαρυονίων (πρωτονίων και νετρονίων) από ότι τα αντιβαρυόνια. Εδώ είναι:

  • Το σύμπαν πρέπει να είναι ένα σύστημα μη ισορροπίας.
  • Πρέπει να περιέχει παραβίαση C και CP.
  • Πρέπει να υπάρχουν αλληλεπιδράσεις που παραβιάζουν τον αριθμό baryon.
  • Το πρώτο είναι απλό επειδή διευρύνεται καιτο ψυχρό Σύμπαν με ασταθή σωματίδια σε αυτό (και τα αντι-αντικείμενα), εξ ορισμού, θα είναι εκτός ισορροπίας. Το δεύτερο είναι επίσης απλό, διότι παραβιάζεται η C-συμμετρία (αντικατάσταση των σωματιδίων με αντισωματίδια) και η συμμετρία CP (αντικατάσταση σωματιδίων με αντικατοπτρικά αντικειμενικά αντανακλαστικά) σε πολλές αδύναμες αλληλεπιδράσεις που περιλαμβάνουν περίεργα, μαγεμένα και όμορφα κουάρκ.

    Το ερώτημα παραμένει πώς να σπάσουμε τον αριθμό του βαρυονίου. Πειραματικά, παρατηρήσαμε ότι η ισορροπία των κουάρκ στα αντιρκράκια και τα λεπτόνια στα αντιλεπτόνια διατηρείται σαφώς. Αλλά στο πρότυπο μοντέλο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων δεν υπάρχει ρητός νόμος διατήρησης για οποιαδήποτε από αυτές τις ποσότητες χωριστά.

    Χρειάζονται τρία κουάρκ για να φτιάξουν ένα βαρύριο, έτσιγια κάθε τρία κουάρκ, αναθέτουμε έναν αριθμό baryon (B) 1. Με τον ίδιο τρόπο, κάθε lepton θα λάβει αριθμό lepton (L) 1. Τα αντιρκράκια, τα αντιβαρυόνια και τα αντιλεπτόνια θα έχουν αρνητικούς αριθμούς Β και L.

    Αλλά σύμφωνα με τους κανόνες του Τυποποιημένου Μοντέλουμόνο η διαφορά μεταξύ βαρυονίων και λεπτονίων. Κάτω από τις σωστές συνθήκες, μπορείτε όχι μόνο να δημιουργήσετε πρόσθετα πρωτόνια, αλλά και ηλεκτρόνια σε αυτά. Οι ακριβείς συνθήκες είναι άγνωστες, αλλά η Μεγάλη Έκρηξη τους έδωσε την ευκαιρία να υλοποιηθούν.

    Τα πρώτα στάδια του σύμπαντοςπεριγράφονται με απίστευτα υψηλές ενέργειες: αρκετά υψηλές για να δημιουργήσουν όλα τα γνωστά σωματίδια και αντισωματίδια σε μεγάλες ποσότητες σύμφωνα με το διάσημο τύπο Einstein E = mc2. Αν η δημιουργία και η καταστροφή των σωματιδίων δουλεύει όπως νομίζουμε, το πρώιμο Σύμπαν θα έπρεπε να είχε γεμίσει με ίσο αριθμό σωματιδίων ύλης και αντιύλης, τα οποία μετατράπηκαν μεταξύ τους, επειδή η διαθέσιμη ενέργεια παρέμενε εξαιρετικά υψηλή.

    Με την επέκταση και την ψύξη του σύμπαντοςτα ασταθή σωματίδια, όταν δημιουργηθούν σε αφθονία, θα καταρρεύσουν. Εάν πληρούνται οι σωστές προϋποθέσεις - ειδικότερα, οι τρεις συνθήκες των σακχάρων - αυτό μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολή της ουσίας έναντι της αντιύλης, ακόμη και αν δεν ήταν αρχικά εκεί. Η πρόκληση για τους φυσικούς είναι να δημιουργήσουμε ένα βιώσιμο σενάριο, συμβατό με τις παρατηρήσεις και τα πειράματα, που μπορεί να σας δώσει μια επαρκή υπερβολή της ύλης έναντι της αντιύλης.

    Υπάρχουν τρεις κύριες δυνατότητες για την εμφάνιση αυτής της περίσσειας ουσίας έναντι της αντιύλης:

    • Η νέα φυσική στην κλίμακα ηλεκτροπαραγωγής μπορείνα αυξήσουν σημαντικά τον αριθμό των παραβιάσεων C και CP στο Σύμπαν, πράγμα που θα οδηγήσει σε ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Οι αλληλεπιδράσεις του τυπικού μοντέλου (μέσω της διαδικασίας του σφαλέρ), οι οποίες παραβιάζουν B και L ξεχωριστά (αλλά διατηρούν B-L), μπορούν να δημιουργήσουν τους απαιτούμενους όγκους βαρυονίων και λεπτών.
    • Νέα φυσική νετρίνων σε υψηλές ενέργειες, στιςπου το σύμπαν μας υποδεικνύει θα μπορούσε να δημιουργήσει μια θεμελιώδη ασυμμετρία των λεπτονίων: λεπτογένεση. Η σφαλερόνη που διατηρεί το B-L θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει ασυμμετρία λετόν για να δημιουργήσει ασυμμετρία βαρυονίου.
    • Ή τη βαριογένεση στην κλίμακα της θεωρίας της μεγάλης ενοποίησης, αν η νέα φυσική (και τα νέα σωματίδια) υπάρχουν στην κλίμακα της μεγάλης ενοποίησης, όταν η ηλεκτροσύνθετη δύναμη συνδυάζεται με την ισχυρή.

    Αυτά τα σενάρια έχουν κοινά στοιχεία, οπότε ας δούμε το τελευταίο, μόνο για χάρη παραδείγματος, για να καταλάβουμε τι θα μπορούσε να συμβεί.

    Εάν η θεωρία της μεγάλης ενοποίησης είναι σωστή,να είναι νέα, υπερ-βαριά σωματίδια, που ονομάζονται Χ και Υ, που έχουν και τις ιδιότητες που μοιάζουν με βαρίου και λεπτών. Οι συνεργάτες τους από την αντιύλη θα πρέπει επίσης να είναι: anti-X και anti-Y, με αντίθετους αριθμούς B-L και αντίθετα φορτία, αλλά με την ίδια μάζα και διάρκεια ζωής. Αυτά τα ζεύγη σωματιδίων-αντι-σωματιδίων μπορούν να δημιουργηθούν σε μεγάλες ποσότητες σε επαρκώς υψηλές ενέργειες για να αποσυντεθούν στη συνέχεια.

    Γι 'αυτό γεμίζουμε το σύμπαν μαζί τους, και έπειτανα χωρίσουν. Εάν έχουμε παραβιάσεις C και CP, μπορεί να υπάρχουν μικρές διαφορές στον τρόπο μείωσης των σωματιδίων και των αντισωματιδίων (Χ, Υ και αντι-Χ, αντι-Υ).

    Εάν το σωματίδιο Χ έχει δύο τρόπους: να καταστρέψει σε δύο κορυφαία κουάρκ ή δύο κουάρκ κατά του πυθμένα και ένα ποζιτρόνιο, τότε τα αντι-Χ πρέπει να περάσουν από δύο κατάλληλους τρόπους: δύο κουάρκ κατά της κορυφής ή ένα κουάρκ κάτω και ένα ηλεκτρόνιο. Υπάρχει μια σημαντική διαφορά που επιτρέπεται όταν παραβιάζονται τα C και CP: Το X μπορεί πιθανότατα να χωριστεί σε δύο άνω κουάρκς από το αντι-Χ σε δύο αντι-άνω κουάρκς, ενώ το anti-X είναι πιο πιθανό να σπάσει σε χαμηλότερο κουάρκ και ένα ηλεκτρόνιο , από το Χ - στο κουάρκ και το ποζιτρόνι.

    Με αρκετό αριθμό ζευγαριών και αποσύνθεση με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε εύκολα να πάρετε μια περίσσεια βαρυονίων πάνω από τα αντιβαρυόνια (και τα λεπτόνια έναντι των αντιλεπτών), όπου δεν υπήρχαν πριν.

    Αυτό είναι μόνο ένα παράδειγμα που απεικονίζει μαςιδέα για το τι συνέβη. Ξεκινήσαμε με ένα εντελώς συμμετρικό Σύμπαν, υπακούοντας σε όλους τους γνωστούς νόμους της φυσικής και με μια ζεστή, πυκνή, πλούσια κατάσταση γεμάτη με ύλη και αντιύλη σε ίσες ποσότητες. Χρησιμοποιώντας τον μηχανισμό που πρέπει να καθορίσουμε, με την επιφύλαξη των τριών συνθηκών του Ζαχάρωφ, αυτές οι φυσικές διαδικασίες τελικά δημιούργησαν μια περίσσεια ουσίας έναντι της αντιύλης.

    Το γεγονός ότι έχουμε και αποτελείται από ύληαδιαμφισβήτητο · το ερώτημα είναι γιατί το σύμπαν μας περιέχει κάτι (θέμα) και όχι τίποτα (τελικά, η ύλη και η αντιύλη ήταν εξίσου διαιρεμένες). Ίσως σε αυτόν τον αιώνα θα βρούμε την απάντηση σε αυτή την ερώτηση.

    Γιατί νομίζετε ότι δεν υπάρχει σχεδόν αντιύλη στο σύμπαν; Πείτε μας στο chat μας στο Telegram.