opći

U svemiru gotovo da nema antimaterije. Zašto?

Kada pogledamo svemir, na sve njegove planetei zvijezde, galaksije i grozdovi, plin, prašina, plazma, svugdje vidimo iste potpise. Vidimo linije atomske apsorpcije i emisije, vidimo da materija stupa u interakciju s drugim oblicima materije, vidimo stvaranje zvijezda i smrt zvijezda, sudare, rendgenske zrake i još mnogo toga. Postoji očigledno pitanje koje zahtijeva objašnjenje: zašto sve to vidimo? Ako zakoni fizike diktiraju simetriju između materije i antimaterije, Univerzum kojeg promatramo ne bi trebao postojati.

Ali mi smo ovdje i nitko ne zna zašto.

Zašto u svemiru nema antimaterije?

Razmislite o ove dvije kontradiktorne, na prvi pogled činjenice:

  • Svaka interakcija između čestica misu ikada promatrane u bilo kojoj energiji, nikada nisu stvorene i nisu uništile jednu česticu materije, bez stvaranja ili uništavanja jednakog broja čestica animatera. Fizička simetrija između materije i antimaterije vrlo je stroga, jer:
    • svaki put kad stvaramo kvark ili lepton, također stvaramo antikvark i antilepton;
    • svaki put kada se uništi kvark ili lepton, uništava se i antikvark ili antilepton;
    • stvorio ili uništio leptone i antileptonemoraju biti u ravnoteži kroz cijelu obitelj Letpona i svaki put kad interkutiraju ili udaraju kvark ili lepton, ukupan broj kvarkova i leptona na kraju reakcije (kvarkovi minus antikvarkovi, leptoni minus antileptoni) trebaju biti i bit će isti kao na početku ,

    Jedini način da se promijeni količina tvari u svemiru podrazumijeva i promjenu količine antimaterije za isti iznos.

    A ipak, postoji i druga činjenica.

  • Kada pogledamo svemir, na sve zvijezde,galaksije, oblaci plina, grozdovi, superklasteri i velike strukture, čini se da je sve to sastavljeno od materije, a ne od antimaterije. Svugdje i posvuda, gdje se antimaterija i materija nalaze u svemiru, dolazi do fantastičnog oslobađanja energije uslijed uništenja čestica.
  • Ali ne vidimo znakove uništenja.antimaterije u najvećoj mjeri. Ne vidimo nikakve naznake da su neke od zvijezda, galaksija ili planeta koje vidimo izrađene od antimaterije. Ne vidimo karakteristične gama zrake, za koje se može očekivati ​​da će se antimaterija sudariti s tvari i uništiti. Umjesto toga, svugdje vidimo samo materiju, gdje god pogledate.

    I čini se nemogućim. S jedne strane, ne postoji poznati način stvaranja više materije nego antimaterije, ako se okrenemo česticama i njihovoj interakciji u svemiru. S druge strane, sve što vidimo definitivno se sastoji od supstance, a ne antimaterije.

    Zapravo, promatrali smo uništenje materije iantimaterija u nekim ekstremnim astrofizičkim uvjetima, ali samo u blizini hiper-energetskih izvora koji proizvode materiju i antimateriju u jednakim količinama - crne rupe, na primjer. Kada se antimaterija sudari s tvari u svemiru, ona proizvodi gama zrake vrlo specifičnih frekvencija koje tada možemo otkriti. Međuzvjezdani medgalaktički medij je pun materijala, a potpuni nedostatak ovih gama zračenja je jak signal da nikada nema velike količine čestica antimaterije, jer bi se tada otkrio potpis materije antimaterije.

    Ako baciš jedan dio antimaterije u našTo će trajati oko 300 godina prije nego što ga uništi čestica materije. Ovo ograničenje nam govori da u Mliječnom putu količina antimaterije ne može premašiti vrijednost od 1 čestice po kvadrilijonu (1015), u odnosu na ukupnu količinu tvari.

    U velikoj mjeri - satelitske vagegalaksije, velike galaksije veličine Mliječnog puta, pa čak i nakupine galaksija - ograničenja su manje stroga, ali još uvijek vrlo jaka. Promatrajući udaljenosti od nekoliko milijuna svjetlosnih godina do tri milijarde svjetlosnih godina, uočili smo nedostatak rendgenskih zraka i gama zraka, što bi moglo ukazivati ​​na uništenje materije i antimaterije. Čak i na velikoj kozmološkoj skali, 99,999% onoga što postoji u našem Svemiru definitivno će biti predstavljeno materijom (kao što smo mi), a ne antimaterijom.

    Kako smo se našli u takvoj situaciji?Svemir se sastoji od velike količine materije i ne sadrži gotovo nikakvu antimateriju, ako su zakoni prirode apsolutno simetrični između materije i antimaterije? Pa, postoje dvije mogućnosti: ili je svemir rođen s više materije nego antimaterija, ili se nešto dogodilo u ranoj fazi, kada je svemir bio jako vruć i gust, i izazvao asimetriju materije i antimaterije, koja nije postojala.

    Prva ideja znanstveno provjeravati bez ponovnog stvaranjacijeli svemir neće uspjeti, ali drugi je vrlo uvjerljiv. Ako je naš Svemir nekako stvorio asimetriju materije i antimaterije tamo gdje izvorno nije bilo, tada će pravila koja su tada djelovala ostati nepromijenjena danas. Ako smo dovoljno pametni, možemo razviti eksperimentalne testove koji otkrivaju podrijetlo materije u našem Svemiru.

    Krajem 1960-ih, fizičar Andrej Sakharov identificirao je tri uvjeta neophodna za baryogenesis ili stvaranje više baryona (protona i neutrona) od anti-bariona. Ovdje su:

  • Svemir mora biti neravnotežni sustav.
  • Mora sadržavati prekršaj C i CP.
  • Mora postojati interakcija koja krši baryon broj.
  • Prvi je jednostavan jer se širi isvemir za hlađenje s nestabilnim česticama u njemu (i antičesticama), po definiciji, neće biti uravnotežen. Drugi je također jednostavan, jer C-simetrija (zamjena čestica s antičesticama) i CP-simetrija (zamjena čestica reflektirajuće reflektiranim antičestilima) narušava se u mnogim slabim interakcijama koje uključuju čudne, začarane i lijepe kvarkove.

    Ostaje pitanje kako razbiti barionski broj. Eksperimentalno, uočili smo da je ravnoteža kvarkova s ​​antikvarkovima i leptonima s antileptonima jasno očuvana. Ali u Standardnom modelu fizike elementarnih čestica ne postoji eksplicitan zakon o očuvanju za bilo koju od tih veličina zasebno.

    Potrebno je tri kvarkova da se napravi baryon, dakleza svaka tri kvarkova dodjeljujemo baryonski broj (B) 1. Na isti način, svaki lepton će dobiti leptonski broj (L) 1. Antikvarkovi, anti-barioni i antileptoni imat će negativne brojeve B i L.

    Ali prema pravilima Standardnog modelasamo razlika između baryona i leptona. Pod pravim okolnostima, možete ne samo stvoriti dodatne protone, već im i elektrone. Točne okolnosti nisu poznate, ali Veliki prasak im je dao priliku da se materijaliziraju.

    Prve faze svemiraopisani su nevjerojatno visokim energijama: dovoljno visokim za stvaranje svake poznate čestice i antičestice u velikim količinama prema Einsteinovoj poznatoj formuli E = mc2. Ako stvaranje i uništenje čestica djeluje na način na koji mislimo, rani svemir trebao je biti ispunjen jednakim brojem čestica materije i antimaterije, koje su se pretvorile jedna u drugu, jer je raspoloživa energija ostala izuzetno visoka.

    Sa širenjem i hlađenjem svemiranestabilne čestice, jednom stvorene u izobilju, propadaju. Ako su zadovoljeni odgovarajući uvjeti - posebice tri uvjeta šećera - to može dovesti do viška tvari u odnosu na antimateriju, čak i ako izvorno ne postoji. Izazov za fizičare je stvoriti održiv scenarij, u skladu s opažanjima i eksperimentima, koji vam mogu dati dovoljan višak materije u odnosu na antimateriju.

    Postoje tri glavne mogućnosti za pojavu ovog viška tvari nad antimaterijom:

    • Nova fizika u elektrolučnoj ljestvici možeznačajno povećati broj C- i CP-povreda u svemiru, što će dovesti do asimetrije između materije i antimaterije. Interakcije standardnog modela (kroz proces sphalerona), koje pojedinačno krše B i L (ali zadržavaju B-L), mogu stvoriti potrebne količine baryona i leptona.
    • Nova fizika neutrina na visokim energijama, nakoje nam svemir ukazuje, moglo bi stvoriti temeljnu asimetriju leptona: leptogenezu. Sfaleroni koji čuvaju B-L mogli bi koristiti leptonsku asimetriju da bi stvorili barionsku asimetriju.
    • Ili baryogenesis na skali teorije velikog ujedinjenja, ako nova fizika (i nove čestice) postoje na ljestvici velikog ujedinjenja, kada se elektrolučna sila spaja s jakim.

    Ovi scenariji imaju zajedničke elemente, pa pogledajmo posljednji, samo radi primjera, da razumijemo što se moglo dogoditi.

    Ako je teorija velikog ujedinjenja točna,da budu nove, super teške čestice, nazvane X i Y, koje imaju i svojstva slična barionu i leptonu. Njihovi partneri iz antimaterije također bi trebali biti: anti-X i anti-Y, s suprotnim brojevima B-L i suprotnim nabojem, ali s istom masom i životnim vijekom. Ovi parovi čestica-antičestica mogu se stvoriti u velikim količinama pri dovoljno visokim energijama da bi se kasnije raspali.

    Tako popunjavamo svemir s njima, i onda oniraspasti se. Ako imamo povrede C i CP, mogu postojati male razlike u načinu raspada čestica i antičestica (X, Y i anti-X, anti-Y).

    Ako X-čestica ima dva načina: raspadaju se u dva vrhunska kvarkova ili dva anti-donja kvarkova i pozitron, onda anti-X mora proći kroz dva odgovarajuća načina: dva anti-top kvarka ili donji kvark i elektron. Postoji važna razlika koja je dopuštena kada se krše C- i CP: X je vjerojatno podijeljen na dva gornja kvarka nego anti-X na dva anti-gornja kvarkova, dok je anti-X vjerojatnije da će provaliti u niži kvark i elektron , od X - na anti - top quark i pozitron.

    S dovoljnim brojem parova i raspadanjem na ovaj način, lako možete dobiti višak bariona nad antibarionima (i leptonima nad antileptonima) gdje ga prije nije bilo.

    Ovo je samo jedan primjer koji ilustrira našeideju o tome što se dogodilo. Počeli smo s potpuno simetričnim Svemirom, poštujući sve poznate fizikalne zakone, i vrućim, gustim, bogatim stanjem ispunjenim tvari i antimaterijom u jednakim količinama. Koristeći mehanizam koji tek treba utvrditi, ovisno o tri uvjeta Sakharova, ovi prirodni procesi su na kraju stvorili višak tvari nad antimaterijom.

    Činjenica da postojimo i sastoji se od materijeneosporan; pitanje je zašto naš Svemir sadrži nešto (materiju), a ne ništa (na kraju krajeva, materija i antimaterija su podjednako podijeljeni). Možda ćemo u ovom stoljeću pronaći odgovor na ovo pitanje.

    Zašto mislite da u svemiru gotovo nema antimaterije? Recite nam u našem chatu u Telegramu.