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Casi no hay antimateria en el universo. Por que

Cuando miramos al Universo, a todos sus planetas.y estrellas, galaxias y cúmulos, gas, polvo, plasma, vemos las mismas firmas en todas partes. Vemos líneas de absorción y emisión atómicas, vemos que la materia interactúa con otras formas de materia, vemos formación de estrellas y muerte de estrellas, colisiones, rayos X y mucho más. Hay una pregunta obvia que requiere una explicación: ¿por qué vemos todo esto? Si las leyes de la física dictan la simetría entre materia y antimateria, el Universo que observamos no debería existir.

Pero estamos aquí, y nadie sabe por qué.

¿Por qué no hay antimateria en el universo?

Piense en estos dos hechos contradictorios a primera vista:

  • Cada interacción entre partículas nosSe han observado en cualquier energía, nunca se crearon y no destruyeron una partícula de materia, sin crear o destruir un número igual de partículas de animador. La simetría física entre materia y antimateria es muy estricta, porque:
    • cada vez que creamos un quark o leptón, también creamos antiquark y antilepton;
    • Cada vez que se destruye un quark o leptón, también se destruye un antiquark o antilepton;
    • leptons y antileptons creados o destruidosdebe estar en equilibrio en toda la familia de Letpons y cada vez que un quark o lepton interactúa, choca o decae, el número total de quarks y leptons al final de la reacción (quarks menos antiquark, lepton minus antileptons) debe ser y será igual al principio .

    La única forma de cambiar la cantidad de materia en el Universo también implica un cambio en la cantidad de antimateria en la misma cantidad.

    Y sin embargo, hay un segundo hecho.

  • Cuando miramos el Universo, a todas las estrellas,Galaxias, nubes de gas, cúmulos, supercúmulos y estructuras a gran escala, parece que todo esto está hecho de materia, no de antimateria. En todas partes y en todas partes, donde se encuentra la antimateria y la materia en el Universo, se produce una liberación fantástica de energía debido a la aniquilación de las partículas.
  • Pero no vemos signos de destrucción.Sustancias de antimateria en la mayor escala. No vemos ninguna indicación de que algunas de las estrellas, galaxias o planetas que vemos estén hechas de antimateria. No vemos los rayos gamma característicos, que uno esperaría ver si la antimateria chocara con la materia y la aniquilara. En cambio, en todas partes solo vemos materia, dondequiera que mires.

    Y parece imposible. Por un lado, no se conoce una forma de producir más materia que la antimateria, si recurrimos a las partículas y su interacción en el Universo. Por otro lado, todo lo que vemos está definitivamente compuesto de una sustancia, no de antimateria.

    De hecho, observamos la aniquilación de la materia yLa antimateria en algunas condiciones astrofísicas extremas, pero solo cerca de fuentes de hiperenergía que producen materia y antimateria en cantidades iguales, por ejemplo, los agujeros negros. Cuando la antimateria choca con la materia en el universo, produce rayos gamma de frecuencias muy específicas que podemos detectar. El medio intergaláctico interestelar está lleno de material, y la ausencia total de estos rayos gamma es una fuerte señal de que nunca habrá más partículas de antimateria, ya que entonces se detectaría una firma de antimateria de materia.

    Si arrojas un poco de antimateria a nuestrogalaxia, durará unos 300 años antes de ser destruida por una partícula de materia. Esta restricción nos dice que en la Vía Láctea la cantidad de antimateria no puede exceder el valor de 1 partícula por cuatrillón (1015), en relación con la cantidad total de materia.

    A gran escala - escalas de satéliteGalaxias, galaxias grandes del tamaño de la Vía Láctea e incluso cúmulos de galaxias: las restricciones son menos estrictas, pero aún muy fuertes. Al observar distancias de varios millones de años luz a tres mil millones de años luz, observamos una falta de rayos X y rayos gamma, lo que podría indicar la aniquilación de la materia y la antimateria. Incluso en una gran escala cosmológica, el 99.999% de lo que existe en nuestro Universo definitivamente será representado por la materia (como lo somos nosotros), y no por la antimateria.

    ¿Cómo nos encontramos en una situación tal que¿El universo consiste en una gran cantidad de materia y casi no contiene antimateria, si las leyes de la naturaleza son absolutamente simétricas entre materia y antimateria? Bueno, hay dos opciones: o el universo nació con más materia que antimateria, o algo sucedió en una etapa temprana, cuando el universo era muy caliente y denso, y dio lugar a la asimetría de la materia y la antimateria, que no estaba allí.

    La primera idea para comprobar científicamente sin recrear.El universo entero fallará, pero el segundo es muy convincente. Si nuestro Universo de alguna manera creó una asimetría de materia y antimateria donde no estaba originalmente, las reglas que funcionaron entonces permanecerán sin cambios hoy. Si somos lo suficientemente inteligentes, podemos desarrollar pruebas experimentales que revelen el origen de la materia en nuestro Universo.

    A fines de la década de 1960, el físico Andrei Sakharov identificó tres condiciones necesarias para la bariogénesis o la creación de más bariones (protones y neutrones) que los anti-bariones. Aquí están:

  • El universo debe ser un sistema de no equilibrio.
  • Debe contener la violación de C y CP.
  • Debe haber interacciones que violen el número de barión.
  • El primero es simple porque se está expandiendo yel Universo de enfriamiento con partículas inestables (y antipartículas) en él, por definición, estará fuera de equilibrio. El segundo también es simple, porque la simetría C (reemplazo de partículas con antipartículas) y la simetría CP (reemplazo de partículas con antipartículas reflejadas especularmente) se violan en muchas interacciones débiles que involucran quarks extraños, encantados y hermosos.

    La pregunta sigue siendo cómo romper el número de barión. Experimentalmente, observamos que el equilibrio de quarks a antiquarks y leptons a antileptons se conserva claramente Pero en el Modelo estándar de la física de partículas elementales no existe una ley de conservación explícita para ninguna de estas cantidades por separado.

    Se necesitan tres quarks para hacer un barión, por lo quepor cada tres quarks asignamos un número de barión (B) 1. De la misma manera, cada leptón recibirá un número de leptón (L) 1. Los antiquarks, los anti-baryons y los anti blints tendrán los números negativos B y L.

    Pero de acuerdo a las reglas del Modelo Estándar.Solo la diferencia entre bariones y leptones. Bajo las circunstancias adecuadas, no solo puede crear protones adicionales, sino también electrones para ellos. Las circunstancias exactas son desconocidas, pero el Big Bang les dio la oportunidad de materializarse.

    Las primeras etapas del universo.están descritos por energías increíblemente altas: lo suficientemente alto como para crear cada partícula y antipartícula conocidas en grandes cantidades de acuerdo con la famosa fórmula E = mc2 de Einstein. Si la creación y destrucción de partículas funciona de la manera que pensamos, el Universo primitivo debería haberse llenado con un número igual de partículas de materia y antimateria, que se convirtieron unas en otras, porque la energía disponible se mantuvo extremadamente alta.

    Con la expansión y el enfriamiento del universo.Las partículas inestables, una vez creadas en abundancia, colapsarán. Si se cumplen las condiciones correctas, en particular las tres condiciones de los azúcares, esto puede llevar a un exceso de sustancia sobre la antimateria, incluso si no estaba originalmente allí. El desafío para los físicos es crear un escenario viable, coherente con las observaciones y los experimentos, que pueda proporcionarle un exceso suficiente de materia sobre la antimateria.

    Hay tres posibilidades principales para este exceso de sustancia sobre la antimateria:

    • La nueva física en la escala electrodébil puedeAumentar significativamente el número de violaciones de C y CP en el Universo, lo que conducirá a una asimetría entre la materia y la antimateria. Las interacciones del Modelo Estándar (a través del proceso del esfalón), que violan B y L individualmente (pero retienen B - L), pueden crear los volúmenes requeridos de bariones y leptones.
    • Nueva física de neutrinos a altas energías, enLo que el universo nos sugiere podría crear una asimetría fundamental de los leptones: la leptogénesis. La esfalerona que preserva la B - L podría utilizar la asimetría de leptón para crear una asimetría bariónica.
    • O la barogénesis en la escala de la teoría de la gran unificación, si existen nuevas físicas (y nuevas partículas) en la escala de la gran unificación, cuando la fuerza electrodébil se combina con la fuerte.

    Estos escenarios tienen elementos comunes, así que echemos un vistazo al último, solo por ejemplo, para entender lo que pudo haber sucedido.

    Si la teoría de la gran unificación es correcta,para ser nuevas partículas súper pesadas, llamadas X e Y, que tienen propiedades similares a bariones y leptones. Sus compañeros de la antimateria también deben ser: anti-X y anti-Y, con números opuestos B - L y cargas opuestas, pero con la misma masa y duración. Estos pares de partículas antipartículas se pueden crear en grandes cantidades a energías suficientemente altas para su posterior descomposición.

    Así que llenamos el universo con ellos, y luego ellosdesmoronarse Si tenemos violaciones de C y CP, puede haber pequeñas diferencias en la forma en que se descomponen las partículas y antipartículas (X, Y y anti-X, anti-Y).

    Si la X-partícula tiene dos formas: la descomposición en dos quarks top o dos quarks anti-bottom y un positrón, entonces el anti-X debe pasar por dos formas apropiadas: dos quarks anti-top o un quark bottom y un electrón. Existe una diferencia importante que se permite cuando se violan C y CP: es más probable que X se divida en dos quarks superiores que el anti-X en dos quarks anti-superiores, mientras que el anti-X es más probable que se rompa en un quark inferior y un electrón , que X - en quark anti-top y positrón.

    Con un número suficiente de pares y la descomposición de esta manera, puede obtener fácilmente un exceso de bariones sobre los antibaryons (y leptones sobre los antileptones), donde antes no estaba.

    Este es solo un ejemplo que ilustra nuestraidea de lo que pasó. Comenzamos con un Universo completamente simétrico, obedeciendo todas las leyes conocidas de la física, y con un estado rico, denso y rico lleno de materia y antimateria en cantidades iguales. Usando el mecanismo que aún no hemos determinado, sujeto a las tres condiciones de Sakharov, estos procesos naturales finalmente crearon un exceso de sustancia sobre la antimateria.

    El hecho de que existamos y se compone de materia.indisputable la pregunta es por qué nuestro Universo contiene algo (materia) y no nada (después de todo, la materia y la antimateria estaban igualmente divididas). Quizás en este siglo encontremos la respuesta a esta pregunta.

    ¿Por qué crees que casi no hay antimateria en el universo? Cuéntanoslo en nuestro chat en telegram.