általános

A világegyetemben szinte nincs antianyag. Miért?

Amikor megnézzük az Univerzumot, minden bolygónés csillagok, galaxisok és klaszterek, gáz, por, plazma, mindenütt ugyanazokat az aláírásokat látjuk. Atomabszorpciós és emissziós vonalakat látunk, látjuk, hogy az anyag kölcsönhatásba lép más anyagformákkal, a csillagok, csillagok, ütközések, röntgensugarak és még sok más halálát látjuk. Nyilvánvaló kérdésre van szükség, ami magyarázatot igényel: miért látjuk mindezt? Ha a fizika törvényei diktálják az anyag és az antianyag közötti szimmetriát, akkor az általunk megfigyelt univerzum nem létezhet.

De itt vagyunk, és senki sem tudja miért.

Miért nincs antianyag az univerzumban?

Gondoljunk bele e két ellentmondásos, első pillantásra a tényekre:

  • Minden részecskék közötti kölcsönhatássoha nem vettek észre semmilyen energiát, soha nem hoztak létre vagy semmisítettek meg egyetlen anyagrészecskét anélkül, hogy egyenlő számú animációs részecskét hoztak létre vagy tönkretettek volna. Az anyag és az antianyag közötti fizikai szimmetria nagyon szigorú, mert:
    • minden alkalommal, amikor egy kvarkot vagy leptont hozunk létre, antikvárt és antileptont is létrehozunk;
    • minden alkalommal, amikor egy kvark vagy lepton megsemmisül, egy régiség vagy antilepton is megsemmisül;
    • leptonokat és antileptonokat hoztak létre vagy elpusztítottakegyensúlyban kell lennie az egész Letpons családban, és minden alkalommal, amikor egy kvark vagy lepton kölcsönhatásba lép, ütközik vagy lebomlik, a reakció végén a kvarkok és a leptonok teljes száma (kvark mínusz antiquarks, leptonok mínusz antileptonok) kell, hogy legyen, és ugyanolyan legyen, mint az elején .

    Az egyetlen módja annak, hogy az Univerzumban lévő anyag mennyiségét megváltoztassuk, az antianyag mennyiségének ugyanazt az összeget is megváltoztatta.

    És mégis van egy második tény.

  • Amikor az Univerzumra nézünk, minden csillagragalaxisok, gázfelhők, klaszterek, szuperklaszterek és nagyszabású struktúrák, úgy tűnik, hogy mindez anyagból, nem antianyagból áll. Mindenhol és mindenhol, ahol az antimateriát és az anyagot megtalálják az Univerzumban, a részecskék megsemmisítése miatt fantasztikus energiafelszabadulás következik be.
  • De nem látjuk a pusztulás jeleit.antimateriális anyagok a legnagyobb skálán. Nem látjuk, hogy a csillagok, galaxisok vagy bolygók egy része antianyagból készül. Nem látjuk a jellegzetes gamma-sugárzásokat, amelyekről azt várnánk, hogy az antianyag ütközik az anyaggal és a megsemmisítéssel. Ehelyett mindenhol csak az ügyet látjuk, bárhol is nézel.

    És ez lehetetlennek tűnik. Egyrészt nincs ismert módja annak, hogy több anyagot tegyünk, mint az antianyag, ha a részecskékre és az Univerzumban való kölcsönhatásra fordulunk. Másrészt mindent, amit látunk, egy anyagból, nem antimateréből áll.

    Valójában megfigyeltük az anyag megsemmisítésétnéhány extrém asztrofizikai körülmények között, de csak olyan hiperenergia-források közelében, amelyek egyenlő mennyiségben termelnek anyagot és antianyagot - például fekete lyukak. Amikor az antianyag ütközik az univerzumban lévő anyaggal, akkor nagyon specifikus frekvenciájú gamma sugarakat állít elő, amelyeket ezután felismerhetünk. A csillagközi intergalaktikus közeg tele van anyaggal, és ezeknek a gamma sugaraknak a teljes hiánya erős jelzés arra, hogy soha nincs nagy mennyiségű antianyag-részecskék, azóta az anyag-antimaterület aláírása észlelhető.

    Ha egy kis antimaterét dobunk a miénkbegalaxis, körülbelül 300 évig tart, mielőtt az anyag részecske megsemmisül. Ez a korlátozás azt mondja, hogy a Tejútban az antimateriális mennyiség nem haladhatja meg az 1 részecske kvadrillionon (1015) értékét az anyag teljes mennyiségéhez viszonyítva.

    Nagy léptékben - műholdas mérlegekgalaxisok, a Tejút nagyságú nagy galaxisai és még a galaxisok csoportjai is - a korlátozások kevésbé szigorúak, de még mindig nagyon erősek. A több millió fényévtől a három milliárd fényévig terjedő távolságok figyelembevételével röntgen- és gamma-sugárzások hiányát figyeltük meg, ami az anyag és az antianyag megsemmisülését jelezheti. Még a nagyméretű kozmológiai skálán is, az Univerzumunkban létező 99,999% -a minden bizonnyal az anyag (mint mi), és nem az antianyag által képviselt.

    Hogyan találtunk ilyen helyzetbenAz univerzum nagy mennyiségű anyagból áll, és szinte semmilyen antimátort nem tartalmaz, ha a természet törvényei teljesen szimmetrikusak az anyag és az antianyag között? Nos, két lehetőség van: vagy az univerzum több anyaggal született, mint az antianyag, vagy valami történt egy korai szakaszban, amikor az univerzum nagyon forró és sűrű volt, és az anyag és az antianyag aszimmetriáját okozza, ami nem volt ott.

    Az első ötlet, hogy tudományosan ellenőrizni kell az újbóli létrehozástaz egész univerzum kudarcot vall, de a második nagyon meggyőző. Ha az Univerzumunk valamilyen módon az anyag és az antianyag aszimmetriáját teremtette, ahol eredetileg nem volt ott, akkor a működött szabályok ma nem változnak. Ha elég okosak vagyunk, olyan kísérleti teszteket dolgozhatunk ki, amelyek feltárják az Univerzumban lévő anyag eredetét.

    Az 1960-as évek végén Andrei Szaharov fizikus három olyan feltételt azonosított, amely szükséges a baryogenezishez vagy több bárió (proton és neutron) létrehozásához, mint a baryonok. Itt vannak:

  • Az univerzumnak nem egyensúlyi rendszernek kell lennie.
  • Tartalmaznia kell a C és CP megsértését.
  • A baryonszámot sértő kölcsönhatásokra van szükség.
  • Az első egyszerű, mert bővül ésaz instabil részecskékkel rendelkező hűtő Univerzum (és az antitestek) definíció szerint kiegyensúlyozatlan lesz. A második is egyszerű, mert a C-szimmetria (részecskék cseréje antipartikkelekkel) és a CP-szimmetria (a részecskék cseréje a tükröződéssel tükröződő részecskékkel) számos gyenge interakcióban sérül, ami furcsa, elvarázsolt és gyönyörű kvarkokat tartalmaz.

    A kérdés továbbra is az, hogy hogyan kell megtörni a baryon számát. Kísérletileg azt tapasztaltuk, hogy a kvarkok és az antiquarks és a leptonok antileptonok közötti egyensúlya egyértelműen megmarad. Az elemi részecskék fizikájának szabványmodelljében azonban ezekre a mennyiségekre nincs kifejezett védelmi törvény.

    A baryon készítéséhez három kvark vanminden három kvark esetében baryon számot rendelünk (B) 1. Ugyanígy minden lepton lepton számot kap (L). 1. Az antiquarks, anti-baryonok és antileptonok negatív B és L számmal rendelkeznek.

    De a standard modell szabályai szerintcsak a baryonok és a leptonok közötti különbség. A megfelelő körülmények között nemcsak további protonokat hozhat létre, hanem elektronokat is. A pontos körülmények ismeretlenek, de a Big Bang lehetőséget adott számukra, hogy megvalósuljanak.

    Az univerzum első szakaszaihihetetlenül magas energiával írják le őket: elég magas ahhoz, hogy minden ismert részecskét és nagy részecskéket tartalmazó részecskéket Einstein híres E = mc2 képlete szerint hozzanak létre. Ha a részecskék megalkotása és megsemmisítése úgy működik, ahogyan azt gondoljuk, a korai univerzumot egyenlő számú anyag- és antianyag-részecskével kellett volna megtölteni, amelyek egymáshoz fordultak, mert a rendelkezésre álló energia rendkívül magas maradt.

    A világegyetem terjeszkedésével és hűtésévelaz instabil részecskék, amint bőségesen alakultak ki, összeomlanak. Ha a megfelelő feltételek - különösen a cukrok három feltétele - teljesülnek - ez az anyag fölöslegéhez vezethet az antianyag felett, még akkor is, ha az eredetileg nem volt. A fizikusok számára a kihívás, hogy életképes forgatókönyvet hozzon létre, amely összhangban van a megfigyelésekkel és kísérletekkel, amely elegendő mennyiségű anyagot adhat az antianyag felett.

    Ennek a felesleges anyagnak az antimateriális előfordulásának három fő lehetősége van:

    • Az új fizika az elektrolízis skálánjelentősen növeli a C- és CP-megsértések számát az Univerzumban, ami aszimmetriához vezet az anyag és az antianyag között. A modellek interakciói (a sphaleron-folyamaton keresztül), amelyek egyenként megsérti a B-t és az L-et (de megtartják a B-L-t), képesek a szükséges mennyiségű bárió és lepton előállítására.
    • Új neutrínó fizika nagy energiákonamelyre az univerzum rámutat, a leptonok alapvető aszimmetriáját eredményezheti: leptogenezis. A B-L spermeron-tartósítószer ezután a lepton aszimmetriát alkalmazhatja a baryon aszimmetria létrehozásához.
    • Vagy baryogenesis a nagy egyesítés elméletének skáláján, ha új fizika (és új részecskék) léteznek a nagy egyesülés skálán, amikor az elektrolízis erő egyesül az erős.

    Ezek a forgatókönyvek közös elemekkel rendelkeznek, ezért nézzük meg az utolsó példát, csak azért, hogy megértsük, mi történt.

    Ha a nagy egyesítés elmélete helyes,az új, szuper-nehéz részecskék, az X és az Y, amelyek mind baryonszerű, mind leptonszerű tulajdonságokkal rendelkeznek. Az antimateriális partnereiknek az anti-X és anti-Y-nek is kell lenniük, ellentétes számokkal B-L és ellentétes töltésekkel, de ugyanolyan tömeggel és élettartammal. Ezek a részecske-részecskék párok nagy mennyiségben hozhatók létre kellően nagy energiákkal, hogy később lehullanak.

    Tehát velük együtt töltjük be az univerzumot, aztán pedigszétesik. Ha C és CP megsértése van, enyhe különbségek lehetnek abban, hogy a részecskék és az antipartikumok lebomlanak (X, Y és anti-X, anti-Y).

    Ha az X-részecskéknek két módja van: két legfelsőbb kvarkba vagy két alsó kvarkba és egy pozitronba bomlik, majd az anti-X-nek két megfelelő módon kell mennie: két anti-top kvarkot vagy egy alsó kvarkot és egy elektronot. Fontos különbség van, ami megengedett, ha a C- és a CP-t megsértik: X valószínűleg két felső kvarkra oszlik, mint az anti-X két felső felső kvarkba, míg az anti-X nagyobb valószínűséggel bontja az alsó kvarkot és egy elektronot , mint az X - az anti-top kvark és a pozitron.

    Az ilyen módon elegendő számú párosodással és bomlással könnyedén feleslegessé válhat a baryonok száma az antibaryonok (és a leptonok az antileptonok felett) fölött, ahol korábban nem volt.

    Ez csak egy példa erreötlet arról, hogy mi történt. Egy teljesen szimmetrikus univerzummal kezdtük, minden fizikai törvényt betartva, és forró, sűrű, gazdag állapotban, egyenlő mennyiségű anyaggal és antianyaggal töltve. Azon mechanizmusok felhasználásával, amelyeket még meg kellett állapítanunk, Szaharov három feltétele alapján, ezek a természetes folyamatok végső soron túlzott mennyiségű anyagot hoztak létre az antianyag felett.

    Az a tény, hogy létezik és anyagból álltagadhatatlan; a kérdés az, hogy miért tartalmazza az Univerzumunk valamit (anyagot), és nem semmit (miután az anyag és az antianyag egyenlően oszlanak meg). Talán ebben a században találjuk meg a választ erre a kérdésre.

    Miért gondolod, hogy szinte nincs antianyag a világegyetemben? Mondja el velünk a Telegramban.