כללי

אין כמעט שום אנטי-יהום ביקום. למה

כאשר אנו מסתכלים על היקום, על כל כוכבי הלכת שלוכוכבים, גלקסיות ואשכולות, גז, אבק, פלסמה, אנו רואים אותן חתימות בכל מקום. אנו רואים שורות של קליטה אטומית ופליטה, אנו רואים שחומר מקיים אינטראקציה עם צורות אחרות של חומר, אנו רואים היווצרות כוכבים ומוות של כוכבים, התנגשויות, צילומי רנטגן ועוד. יש שאלה ברורה הדורשת הסבר: מדוע אנו רואים את כל זה? אם חוקי הפיסיקה מכתיבים את הסימטריה בין חומר לבין חומר אנטי-ריאלי, היקום שאנו רואים אינו צריך להתקיים.

אבל אנחנו כאן, ואף אחד לא יודע למה.

מדוע אין אנטי-יהום ביקום?

תחשוב על שני אלה סותרים, במבט ראשון, עובדות:

  • כל אינטראקציה בין חלקיקים אנוהיו אי פעם נצפו בכל אנרגיה, מעולם לא נוצר ולא להרוס חלקיק אחד של חומר, מבלי ליצור או להרוס מספר שווה של חלקיקים של animatter. סימטריה פיסיקלית בין חומר לבין חומר אנטי-קפדני היא קפדנית ביותר, שכן:
    • בכל פעם שאנחנו יוצרים קווארק או לפטון, אנחנו גם ליצור antiquark ו antilepton;
    • בכל פעם נהרסת קווארק או לפטון, נהרסת גם עתיקה או אנטי-ליפטון;
    • נוצר או הרס לפטונים ואנטיילפטוניםחייב להיות מאוזן לאורך כל המשפחה של לטון וכל פעם קווארק או לפטון אינטראקציה, להתנגש או ריקבון, המספר הכולל של קווארקים ולפטונים בסוף התגובה (קווארקים מינוס עתיק, leptons מינוס antileptons) צריך להיות ויהיה כפי שהיה בהתחלה .

    הדרך היחידה לשנות את כמות החומר ביקום גם רמזה שינוי כמות antimatter באותה כמות.

    ובכל זאת, יש עובדה שנייה.

  • כאשר אנו מסתכלים על היקום, בכל הכוכבים,גלקסיות, ענני גז, אשכולות, מעלי-על ומבנים גדולים, נראה כי כל זה מורכב מחומר, לא antimatter. בכל מקום ובכל מקום, שבו antimatter והחומר נמצאים ביקום, שחרור פנטסטי של אנרגיה מתרחשת עקב השמדתם של חלקיקים.
  • אבל אנחנו לא רואים סימנים של הרס.antimatter חומרים בקנה מידה גדול. אנחנו לא רואים שום סימן לכך שכוכבים, גלקסיות או כוכבי לכת שאנו רואים עשויים מאנטי-חומר. אנחנו לא רואים את קרני הגמא האופייניות, מה שהיינו מצפים לראות אם antimatter היה מתנגש עם החומר ולהשמיד. במקום זאת, בכל מקום אנו רואים רק עניין, בכל מקום שבו אתה מסתכל.

    וזה נראה בלתי אפשרי. מצד אחד, אין דרך ידועה לעשות חומר יותר מאשר antimatter, אם נפנה חלקיקים ואת האינטראקציה שלהם ביקום. מצד שני, כל מה שאנו רואים הוא בהחלט מורכב מחומר, לא antimatter.

    למעשה, ראינו את השמדת החומרantimatter בכמה תנאים אסטרופיזיים קיצוניים, אבל רק ליד מקורות אנרגיה היפר המייצרים חומר antimatter בכמויות שוות - חורים שחורים, למשל. כאשר antimatter מתנגש עם חומר ביקום, הוא מייצר קרני גמא של תדרים ספציפיים מאוד, כי אז אנחנו יכולים לזהות. המדיום הבין-כוכבי הבין-כוכבי מלא בחומר, וההיעדר המוחלט של קרני גמא אלה הוא איתות חזק לכך שמעולם לא היו כמות גדולה של חלקיקי אנטי-אימטר, ומאז נתגלה חתימה של חומר אנטי-חומר.

    אם אתה זורק חתיכה אחת של antimatter לתוך שלנוגלקסיה, זה יימשך כ 300 שנה לפני שהוא נהרס על ידי חלקיק של החומר. הגבלה זו מספרת לנו שבשביל החלב כמות האנטי-חומרים לא יכולה לחרוג מערכו של חלקיק אחד לכל קואדריון (1015), יחסית לסך החומר.

    בקנה מידה גדול - קשקשים לוויןגלקסיות, גלקסיות גדולות בגודל של שביל החלב ואפילו מקבצי גלקסיות - ההגבלות הן פחות קפדניות, אך עדיין חזקות מאוד. במרווחים שנצפו ממספר מיליוני שנות אור ועד לשלושה מיליארד שנות אור, ראינו היעדר צילומי רנטגן וקריני גמא, דבר שעלול להצביע על השמדת החומר והאנטי-חומר. אפילו בקנה מידה קוסמולוגי גדול, 99.999% ממה שקיים ביקום שלנו בהחלט יהיה מיוצג על ידי חומר (כמו שאנחנו), ולא על ידי antimatter.

    איך מצאנו את עצמנו במצב כזההיקום מורכב מכמות גדולה של חומר, והוא אינו מכיל כמעט כל חומר אנטי, אם חוקי הטבע הם סימטריים לחלוטין בין חומר ובין חומר אנטי-סרטני? ובכן, יש שתי אפשרויות: או שהיקום נולד עם חומר רב יותר מאשר חומר אנטי-מטרי, או שמשהו קרה בשלב מוקדם, כאשר היקום היה חם מאוד וסמיך, והוליד את האסימטריה של החומר והאנטי-אימטר, שלא היה שם.

    הרעיון הראשון לבדוק באופן מדעי מבלי לשחזרהיקום כולו ייכשל, אבל השני הוא משכנע מאוד. אם היקום שלנו יצר איכשהו א-סימטריה של חומר ואנטי-חומר שבו לא היה במקור, אז הכללים שעבדו אז יישארו ללא שינוי היום. אם אנחנו מספיק חכמים, אנחנו יכולים לפתח בדיקות ניסיוניות החושפות את מקור החומר ביקום שלנו.

    בסוף שנות השישים הגדיר הפיסיקאי אנדריי סחרוב שלושה תנאים הדרושים לבריוגנזה או ליצירת בריונים נוספים (פרוטונים ונייטרונים) מאשר נגד בריונים. הנה הם:

  • היקום חייב להיות מערכת לא שיווי משקל.
  • עליו להכיל הפרה של C ו- CP.
  • חייב להיות אינטראקציה כי להפר את מספר baryon.
  • הראשון הוא פשוט כי הוא מתרחב והיקום הקירור עם חלקיקים לא יציבים בו (ואנטי-חלקיקים), מעצם הגדרתו, יהיה מחוץ לשיווי משקל. השני הוא גם פשוט, שכן C- סימטריה (החלפת חלקיקים עם antiparticles) ו CP- סימטריה (החלפת חלקיקים עם חזותית משתקפת באופן מובהק) מופרות במספר רב של אינטראקציות חלשות מעורבים קווארקים מוזרים, קסום ויפה.

    נשאלת השאלה כיצד לשבור את מספר הבריון. מבחינה ניסויית, ראינו כי האיזון של קווארקים כדי antarkarks ו leptons כדי antileptons נשמר בבירור. אבל במודל הסטנדרטי של פיסיקת החלקיקים אין חוק שימור מפורש לכל אחד מהכמויות הללו בנפרד.

    זה לוקח שלושה קווארקים לעשות בריון, כךעבור כל שלושה קווארקים אנו מקצים מספר בריון (B) 1. באותו אופן, כל ליפטון יקבלו מספר ליפטון (L) 1. עתיקות, אנטי בריונים ואנטי blips יהיו מספרים שליליים B ו- L.

    אך בהתאם לכללי המודל הסטנדרטירק את ההבדל בין baryons ו lptons. בנסיבות המתאימות, אתה לא יכול רק ליצור פרוטונים נוספים, אלא גם אלקטרונים אליהם. הנסיבות המדויקות אינן ידועות, אבל המפץ הגדול נתן להן הזדמנות להתממש.

    השלבים הראשונים של היקוםהם מתוארים על ידי אנרגיות גבוהות מאוד: גבוה מספיק כדי ליצור כל חלקיקים ידועים וחלקיקים בכמויות גדולות על פי הנוסחה המפורסמת של איינשטיין E = mc2. אם היצירה וההרס של חלקיקים פועלת כפי שאנו חושבים, היקום המוקדם היה צריך להיות מלא במספר שווה של חלקיקים של חומר ואנטי-חומר, שהפכו זה לזה, משום שהאנרגיה הזמינה נותרה גבוהה ביותר.

    עם התרחבות וקירור היקוםחלקיקים לא יציבים, שנוצרו פעם בשפע, יתמוטטו. אם התנאים המתאימים מתקיימים - בפרט, שלושת התנאים של סוכרים - זה יכול להוביל עודף של חומר על antimatter, גם אם זה לא היה במקור שם. האתגר של פיסיקאים הוא ליצור תרחיש קיימא, בקנה אחד עם תצפיות וניסויים, אשר יכול לתת לך עודף מספיק של חומר על antimatter.

    ישנן שלוש אפשרויות עיקריות להתרחשות של חומר עודף זה על פני antimatter:

    • פיזיקה חדשה בקנה מידה electroweak יכוללהגדיל באופן משמעותי את מספר C ו- C CP- הפרות ביקום, אשר יוביל לא סימטריה בין חומר antimatter. האינטראקציות של המודל הסטנדרטי (באמצעות תהליך הספלרון), המפרות את B ו- L בנפרד (אך שומרות על B-L), יכולות ליצור את הכרכים הדרושים של בריונים ולפטונים.
    • פיסיקת נייטרינו חדשה באנרגיות גבוהות, באשר היקום רומז לנו יכול ליצור אסימטריה בסיסית של leptons: leptogenesis. Sphalerone שימור B - L יכול להשתמש אסימטריה לפטון ליצור אסימטריה בריון.
    • או baryogenesis על המידה של התיאוריה של איחוד גדול, אם פיסיקה חדשה (וגם חלקיקים חדשים) קיימים בקנה מידה של איחוד גדול, כאשר כוח electroweak משלב עם חזקה.

    תרחישים אלה יש אלמנטים משותפים, אז בואו להסתכל על האחרון, רק לשם, כדי להבין מה יכול היה לקרות.

    אם תיאוריית האיחוד הגדול נכונה,להיות חלקיקים חדשים, כבדים במיוחד, הנקראים X ו- Y, שיש להם תכונות דמויי בריון ולפטון. השותפים שלהם מ antimatter צריך להיות גם: אנטי X ו אנטי Y, עם מספרים מנוגדים B - L ו ההאשמות הנגדיות, אבל עם מסה זהה בחיים. אלה זוגות החלקיקים- antiparticle ניתן ליצור בכמויות גדולות על אנרגיות גבוהות מספיק כדי מאוחר יותר ריקבון.

    אז אנחנו ממלאים את היקום איתם, ואז הםלהתפרק. אם יש לנו הפרות C ו- CP, ייתכן שיש הבדלים קלים באופן שבו חלקיקים ואנטי-חלקיקים מתפוררים (X, Y ו- X, אנטי-Y).

    אם X- חלקיק יש שתי דרכים: ריקבון לתוך שני קווארקים עליונים או שני קווארקים נגד תחתית ופוזיטרונים, ולאחר מכן אנטי- X חייב לעבור שתי דרכים מתאימות: שני קווארקים נגד top או קווארק תחתון ואלקטרונים. יש הבדל חשוב כאשר C ו- CP מופרות: X יכול להתפצל לשתי קווארקים עליונים מאשר נגד X לשני קווארקים אנטי-עליונים, בעוד שאנטי-X נוטה יותר לפרוץ לקווארק תחתון ואלקטרון , מאשר X - על קווארק אנטי פויטרון העליון.

    עם מספר מספיק של זוגות וריקבון בדרך זו, אתה יכול בקלות לקבל עודף של baryons מעל antibaryons (ו leptons מעל antileptons), שם הוא לא היה שם לפני.

    זה רק דוגמה אחת הממחישה שלנורעיון של מה שקרה. התחלנו עם היקום הסימטרי לחלוטין, לציית לכל חוקי הפיסיקה הידועים, ועם מדינה חמה, צפופה ועשירה, מלאה בחומר ובאנטי-כמות בכמויות שוות. בעזרת המנגנון שעדיין לא קבענו, בכפוף לשלושת התנאים של סחרוב, התהליכים הטבעיים הללו יצרו בסופו של דבר עודף של חומר על פני האנטי-חומר.

    העובדה שאנחנו קיימים ומורכבת מחומרבלתי מעורערת; השאלה היא מדוע היקום שלנו מכיל משהו (חומר), ולא שום דבר (אחרי הכל, החומר ואת antimatter היו מחולקים שווה). אולי במאה הזאת נוכל למצוא את התשובה לשאלה זו.

    מדוע לדעתך אין כמעט שום אנטי-יהום ביקום? ספר לנו בצ'אט שלנו בטלגרם.