algemeen

Er is bijna geen antimaterie in het universum. Waarom?

Wanneer we naar het universum kijken, naar al zijn planetenen sterren, sterrenstelsels en clusters, gas, stof, plasma, we zien overal dezelfde handtekeningen. We zien lijnen van atomaire absorptie en emissie, we zien dat materie interageert met andere vormen van materie, we zien stervorming en de dood van sterren, botsingen, röntgenstralen en nog veel meer. Er is een voor de hand liggende vraag die een verklaring vereist: waarom zien we dit allemaal? Als de wetten van de natuurkunde de symmetrie tussen materie en antimaterie dicteren, zou het universum dat we waarnemen niet mogen bestaan.

Maar we zijn hier en niemand weet waarom.

Waarom is er geen antimaterie in het universum?

Denk aan deze twee tegenstrijdige, op het eerste gezicht, feiten:

  • Elke interactie tussen deeltjes weooit waargenomen bij welke energie dan ook, nooit gemaakt en niet één deeltje materie vernietigd, zonder een gelijk aantal deeltjes animatter te creëren of te vernietigen. Fysieke symmetrie tussen materie en antimaterie is erg strikt, omdat:
    • elke keer dat we een quark of lepton maken, maken we ook antiquark en antilepton;
    • elke keer dat een quark of lepton wordt vernietigd, wordt ook een antiquark of antilepton vernietigd;
    • gemaakt of vernietigd leptonen en antilepsenmoet in evenwicht zijn in de hele familie van Letpons en elke keer dat een quark of lepton een interactie aangaat, botst of vervalt, moet het totale aantal quarks en leptonen aan het einde van de reactie (quarks minus antiquarks, lepton minus antilepsen) gelijk zijn aan het begin .

    De enige manier om de hoeveelheid materie in het universum te veranderen, impliceerde ook een verandering in de hoeveelheid antimaterie met hetzelfde aantal.

    En toch is er een tweede feit.

  • Wanneer we naar het universum kijken, naar alle sterren,sterrenstelsels, gaswolken, clusters, superclusters en grootschalige structuren, het lijkt erop dat dit alles bestaat uit materie, niet uit antimaterie. Overal en overal, waar antimaterie en materie in het heelal worden aangetroffen, treedt een fantastische vrijgave van energie op als gevolg van de vernietiging van deeltjes.
  • Maar we zien geen tekenen van vernietiging.antimaterie stoffen op de grootste schaal. We zien geen indicatie dat sommige van de sterren, sterrenstelsels of planeten die we zien zijn gemaakt van antimaterie. We zien niet de karakteristieke gammastraling, die je zou verwachten als antimaterie zou botsen met materie en zou vernietigen. In plaats daarvan zien we overal waar het er alleen toe doet, waar je ook kijkt.

    En het lijkt onmogelijk. Aan de ene kant is er geen bekende manier om meer materie te maken dan antimaterie, als we ons wenden tot deeltjes en hun interactie in het universum. Aan de andere kant is alles wat we zien absoluut samengesteld uit een substantie, geen antimaterie.

    In feite hebben we de vernietiging van materie enantimaterie in sommige extreme astrofysische omstandigheden, maar alleen in de buurt van hyper-energiebronnen die materie en antimaterie produceren in gelijke hoeveelheden - zwarte gaten bijvoorbeeld. Wanneer antimaterie botst met materie in het universum, produceert het gammastralen met zeer specifieke frequenties die we vervolgens kunnen detecteren. Het interstellaire intergalactische medium zit vol met materiaal en de volledige afwezigheid van deze gammastralen is een sterk signaal dat er nooit een grote hoeveelheid antimateriedeeltjes is, omdat dan een signatuur van materie-antimaterie zou worden gedetecteerd.

    Als je een beetje antimaterie in onze hand gooitmelkwegstelsel, het zal ongeveer 300 jaar duren voordat het wordt vernietigd door een stofdeeltje. Deze beperking vertelt ons dat in de Melkweg de hoeveelheid antimaterie de waarde van 1 deeltje per quadriljoen (1015) ten opzichte van de totale hoeveelheid materie niet kan overschrijden.

    Op grote schaal - satellietschalensterrenstelsels, grote sterrenstelsels van de grootte van de Melkweg en zelfs clusters van sterrenstelsels - de beperkingen zijn minder streng, maar nog steeds erg sterk. Met een afstand van enkele miljoenen lichtjaren tot drie miljard lichtjaren, zagen we een gebrek aan röntgenstralen en gammastraling, wat duidde op de vernietiging van materie en antimaterie. Zelfs op grote kosmologische schaal zal 99,999% van wat in ons universum bestaat, zeker worden gerepresenteerd door materie (zoals we zijn), en niet door antimaterie.

    Hoe kwamen we in zo'n situatie terecht?Het universum bestaat uit een grote hoeveelheid materie en bevat bijna geen antimaterie, als de natuurwetten absoluut symmetrisch zijn tussen materie en antimaterie? Welnu, er zijn twee opties: het universum werd geboren met meer materie dan antimaterie, of er gebeurde iets in een vroeg stadium, toen het universum erg heet en dicht was, en aanleiding gaf tot de asymmetrie van materie en antimaterie, die er niet was.

    Het eerste idee om wetenschappelijk te controleren zonder te recreërenhet hele universum zal falen, maar de tweede is erg overtuigend. Als ons universum op de een of andere manier een asymmetrie van materie en antimaterie creëerde waar het er oorspronkelijk niet was, zullen de regels die toen werkten, vandaag ongewijzigd blijven. Als we slim genoeg zijn, kunnen we experimentele tests ontwikkelen die de oorsprong van materie in ons universum onthullen.

    In de late jaren zestig identificeerde natuurkundige Andrej Sacharov drie condities die nodig zijn voor de baryogenese of de creatie van meer baryons (protonen en neutronen) dan anti-baryons. Hier zijn ze:

  • Het universum moet een niet-evenwichtssysteem zijn.
  • Het moet een C- en CP-overtreding bevatten.
  • Er moeten interacties zijn die het baryon-nummer schenden.
  • De eerste is eenvoudig omdat hij expandeert enhet afkoelende universum met onstabiele deeltjes erin (en antideeltjes) zal per definitie uit balans zijn. De tweede is ook eenvoudig, omdat C-symmetrie (vervanging van deeltjes met antideeltjes) en CP-symmetrie (vervanging van deeltjes door spiegelend gereflecteerde antideeltjes) worden geschonden in veel zwakke interacties met vreemde, betoverde en mooie quarks.

    De vraag blijft hoe je het baryon-getal kunt verbreken. Experimenteel hebben we vastgesteld dat het evenwicht tussen quarks en antiquarks en leptonen met antilepsen duidelijk behouden blijft. Maar in het standaardmodel van de fysica van elementaire deeltjes is er geen expliciete instandhoudingswetgeving voor een van deze hoeveelheden afzonderlijk.

    Er zijn drie quarks nodig om een ​​baryon te maken, dusvoor elke drie quarks kennen we een baryonnummer toe (B) 1. Op dezelfde manier krijgt elke lepton een leptongetal (L) 1. Antiquarks, anti-baryons en anti-blints hebben een negatief nummer B en L.

    Maar volgens de regels van het standaardmodelalleen het verschil tussen baryonen en leptonen. Onder de juiste omstandigheden kun je niet alleen extra protonen maken, maar ook elektronen. De precieze omstandigheden zijn onbekend, maar de oerknal gaf hen de kans zich te materialiseren.

    De allereerste stadia van het universumze worden beschreven met ongelooflijk hoge energieën: hoog genoeg om elk bekend deeltje en antideeltje in grote hoeveelheden te maken volgens de beroemde formule E = mc2 van Einstein. Als het creëren en vernietigen van deeltjes werkt zoals we denken, zou het vroege universum gevuld moeten zijn met een gelijk aantal deeltjes materie en antimaterie, die in elkaar overgingen, omdat de beschikbare energie extreem hoog bleef.

    Met de uitbreiding en koeling van het universumonstabiele deeltjes, eens gemaakt in overvloed, zullen instorten. Als aan de juiste voorwaarden wordt voldaan - in het bijzonder de drie suikervoorwaarden - kan dit leiden tot een overmaat aan substantie boven antimaterie, zelfs als het er oorspronkelijk niet was. De uitdaging voor natuurkundigen is om een ​​haalbaar scenario te creëren, consistent met observaties en experimenten, dat je een voldoende hoeveelheid materie over antimaterie kan geven.

    Er zijn drie hoofdmogelijkheden voor het optreden van deze overtollige stof ten opzichte van antimaterie:

    • De nieuwe fysica op de elektrozwakke schaal kanhet aantal C- en CP-schendingen in het heelal aanzienlijk verhogen, wat zal leiden tot een asymmetrie tussen materie en antimaterie. Standaardmodelinteracties (via het sfinxerproces), die B en L afzonderlijk schenden (maar B-L behouden), kunnen de vereiste volumes baryons en leptonen creëren.
    • Nieuwe neutrino-fysica bij hoge energieën, opwaar het universum naar verwijst, zou een fundamentele asymmetrie van leptonen kunnen creëren: leptogenese. Sphaleron die B-L instandhoudt, zou dan de asymmetrie van lepton kunnen gebruiken om baryongasymmetrie te creëren.
    • Of baryogenese op de schaal van de theorie van grote eenwording, als er nieuwe fysica (en nieuwe deeltjes) bestaan ​​op de schaal van grote eenwording, wanneer de elektrozwakke kracht combineert met de sterke.

    Deze scenario's hebben gemeenschappelijke elementen, dus laten we naar de laatste kijken, gewoon ter wille van het voorbeeld, om te begrijpen wat er zou kunnen zijn gebeurd.

    Als de theorie van grote eenwording juist is,als nieuwe, superzware deeltjes, X en Y genaamd, die zowel baryonachtige als leptonachtige eigenschappen hebben. Hun partners van antimaterie zouden ook moeten zijn: anti-X en anti-Y, met tegenovergestelde getallen B - L en tegengestelde ladingen, maar met dezelfde massa en levensduur. Deze deeltjes-antideeltje-paren kunnen in grote hoeveelheden worden aangemaakt met voldoende hoge energieën om vervolgens te vervallen.

    Dus we vullen het universum met hen, en dan zijuit elkaar vallen. Als we C- en CP-overtredingen hebben, kunnen er kleine verschillen zijn in de manier waarop deeltjes en antideeltjes vervallen (X, Y en anti-X, anti-Y).

    Als het X-deeltje twee manieren heeft: verval in twee top-quarks of twee anti-bodem-quarks en een positron, dan moet anti-X op twee geschikte manieren gaan: twee anti-top-quarks of een onderste quark en een elektron. Er is een belangrijk verschil dat is toegestaan ​​als C- en CP worden geschonden: X kan meer waarschijnlijk worden opgesplitst in twee bovenste quarks dan anti-X in twee anti-upper-quarks, terwijl anti-X eerder inbreekt op lagere quark en een elektron , dan X - op anti-top-quark en positron.

    Met een voldoende aantal paren en verval op deze manier, kun je gemakkelijk een overmaat aan baryonen krijgen over antibaryons (en leptonen over antilepsen), waar het er niet eerder was.

    Dit is slechts een voorbeeld ter illustratie van onzeidee van wat er is gebeurd. We zijn begonnen met een volledig symmetrisch universum, gehoorzaam aan alle bekende natuurwetten en met een warme, dichte, rijke staat gevuld met materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden. Met behulp van het mechanisme dat we tot nu toe hebben bepaald, onder de drie voorwaarden van Sacharov, creëerden deze natuurlijke processen uiteindelijk een overmaat aan substantie boven antimaterie.

    Het feit dat we bestaan ​​en uit materie bestaatontkennen; de vraag is waarom ons universum iets (materie) bevat en niet niets (materie en antimaterie waren tenslotte gelijk verdeeld). Misschien zullen we in deze eeuw het antwoord op deze vraag vinden.

    Waarom denk je dat er bijna geen antimaterie in het universum is? Vertel het ons in onze chat in Telegram.