У Всесвіті майже немає антиматерії. Чому?

Коли ми дивимося на Всесвіт, на все її планетиі зірки, галактики і скупчення, газ, пил, плазму, ми бачимо всюди одні і ті ж сигнатури. Ми бачимо лінії атомної абсорбції та емісії, бачимо, що матерія взаємодіє з іншими формами матерії, бачимо зореутворення і смерть зірок, зіткнення, рентгенівське випромінювання і багато іншого. Є очевидне запитання, який вимагає пояснення: чому ми бачимо все це? Якщо закони фізики диктують симетрію між матерією і антиматерією, Всесвіт, яку ми спостерігаємо, не повинна існувати.

Але ми тут, і ніхто не знає, чому.

Чому у Всесвіті немає антиматерії?

Подумайте про ці дві суперечливих, на перший погляд, факти:

Кожна взаємодія між частинками, яке миколи-небудь спостерігали за будь-яких енергіях, ніколи не створювало і не руйнувало одну частинку матерії, не створюючи при цим і не знищуючи рівну кількість частинок аніматеріі. Фізична симетрія між матерією і антиматерією дуже сувора, адже:

• кожен раз, коли ми створюємо кварк або лептон, ми також створюємо антікварк і антілептон;
• кожен раз, коли кварк або лептон знищується, антікварк або антілептон також знищується;
• створені або знищені лептони і антілептониповинні бути в балансі по всій родині летпонов і кожен раз, коли кварк або лептон взаємодіють, стикаються або розпадаються, загальне число кварків і лептонів в кінці реакції (кварки мінус антикварки, лептони мінус антілептони) має бути і буде таким же, яким було на початку .

Єдиний спосіб змінити кількість матерії у Всесвіті на увазі також зміна кількості антиматерії на таку ж величину.

І все ж, є другий факт.

Коли ми дивимося на Всесвіт, на всі зірки,галактики, газові хмари, скупчення, надскупчення і великомасштабні структури, здається, ніби все це складається з матерії, а не антиматерії. По всіх усюдах, де антиматерія і матерія зустрічаються у Всесвіті, відбувається фантастичний викид енергії через анігіляції часток.

Але ми не бачимо ніяких ознак знищенняречовини антиречовиною в найбільших масштабів. Ми не бачимо жодних ознак того, що деякі із зірок, галактик або планет, які ми спостерігаємо, зроблені з антиречовини. Ми не бачимо характерних гамма-променів, які слід було б очікувати побачити, якби антиматерія стикалася з матерією і анігілював. Замість цього усюди ми бачимо тільки матерію, куди не кинь оком.

І це здається неможливим. З одного боку, немає ніякого відомого способу зробити більше речовини, ніж антиречовини, якщо звертатися до частинкам і їх взаємодії у Всесвіті. З іншого боку, все, що ми бачимо, безумовно складається з речовини, а не антиречовини.

Насправді, ми спостерігали аннигиляцию матерії іантиматерії в деяких екстремальних астрофізичних умовах, але тільки біля гіперенергетіческіх джерел, які виробляють речовину і антиречовину в рівних кількостях - чорні діри, наприклад. Коли антиречовину стикається з речовиною у Всесвіті, воно виробляє гамма-промені дуже специфічних частот, які можемо потім виявити. Міжзоряне міжгалактична середовище сповнене матеріалу, і повна відсутність цих гамма-променів є сильним сигналом про те, що ніколи більше немає великої кількості частинок антиматерії, оскільки тоді сигнатура матерії-антиматерії була б виявлена.

Якщо ви кинете одну частинку антиматерії в нашугалактику, вона проіснує близько 300 років, перш ніж буде знищена часткою матерії. Це обмеження говорить нам, що в Чумацькому Шляху кількість антиматерії не може перевищувати значення 1 частки на квадрильйон (1015), щодо загальної кількості матерії.

На великих масштабах - масштабах супутниковихгалактик, великих галактик розміру Чумацького Шляху і навіть скупчень галактик - обмеження менш суворі, але все ж дуже сильні. Спостерігаючи відстані від декількох мільйонів світлових років до трьох мільярдів світлових років, ми спостерігали недолік рентгенівських і гамма-променів, які могли б вказувати на аннигиляцию матерії і антиматерії. Навіть у великих космологічних масштабах 99,999% того, що існує в нашому Всесвіті, безперечно буде представлено матерією (як ми), а не антиматерією.

Як же ми опинилися в такій ситуації, щоВсесвіт складається з великої кількості матерії і практично не містить антиматерії, якщо закони природи абсолютно симетричні між матерією і антиматерією? Що ж, є два варіанти: або Всесвіт була народжена з великою кількістю матерії, ніж антиматерії, або щось сталося на ранній стадії, коли Всесвіт був дуже гарячою і щільною, і породило асиметрію матерії і антиматерії, якої спочатку не було.

Першу ідею перевірити науково без відтворенняцілої Всесвіту не вийде, але друга вельми переконлива. Якщо наш Всесвіт якимось чином створила асиметрію матерії і антиматерії там, де спочатку її не було, то правила, які працювали тоді, залишаться незмінними і сьогодні. Якщо ми досить розумні, ми зможемо розробити експериментальні тести, що розкривають походження матерії в нашому Всесвіті.

В кінці 1960-х років фізик Андрій Сахаров визначив три умови, необхідні для баріогенеза або створення більшої кількості баріонів (протонів і нейтронів), ніж антібаріонов. Ось вони:

Всесвіт повинна бути нерівноважної системою.

У ній повинні бути C- і CP-порушення.

Повинні бути взаємодії, що порушують баріонна число.

Перше дотримати просто, оскільки розширюється іостигає Всесвіт з нестабільними частками в ній (і античастинками), за визначенням, буде поза рівноваги. Друге теж просто, оскільки C-симетрія (заміна частинок античастинками) і CP-симетрія (заміна частинок дзеркально відображеними античастинками) порушуються в безлічі слабких взаємодій за участю дивних, зачарованих і прекрасних кварків.

Залишається питання, як порушити баріонна число. Експериментально ми спостерігали, що баланс кварків до антикварки і лептонів до антілептонам явно зберігається. Але в Стандартної моделі фізики елементарних частинок не існує явного закону збереження ні для однієї з цих величин окремо.

Потрібно три кварка, щоб зробити баріон, томуна кожні три кварка ми призначаємо баріонна число (B) 1. Точно так же кожен лептон отримає лептонний заряд (L) 1. антикварки, антібаріонов і антілептони матимуть негативні числа B і L.

Але за правилами Стандартної моделі зберігаєтьсятільки різниця між баріонами і лептонами. При правильних обставин ви можете не тільки створювати додаткові протони, а й електрони до них. Точні обставини невідомі, але Великий Вибух дав їм можливість реалізуватися.

Найперші етапи існування Всесвітуописуються неймовірно високими енергіями: досить високими, щоб створити кожну відому частку і античастицу у великій кількості по знаменитій формулі Ейнштейна E = mc2. Якщо створення і знищення частинок працює так, як ми думаємо, рання Всесвіт повинна була бути заповненою рівною кількістю часток матерії і антиматерії, які взаємно перетворювалися один в одного, оскільки доступна енергія залишалася надзвичайно високою.

У міру розширення і охолодження Всесвітунестабільні частинки, одного разу створені в достатку, будуть руйнуватися. При дотриманні правильних умов - зокрема, трьох умов Сахаров - це може привести до надлишку речовини над антиречовиною, навіть якщо спочатку його не було. Завдання для фізиків - створити життєздатний сценарій, відповідний спостереженнями та експериментів, який може дати вам достатній надлишок речовини над антиречовиною.

Існує три основних можливості виникнення цього надлишку речовини над антиречовиною:

• Нова фізика в електрослабкої масштабі можезначно збільшити кількість C- і CP-порушення у Всесвіті, що призведе до асиметрії між речовиною і антиречовиною. Взаємодії Стандартної моделі (через процес сфалерона), які порушують B і L індивідуально (але зберігають B - L), можуть створити потрібні обсяги баріонів і лептонів.
• Нова фізика нейтрино при високих енергіях, наяку нам натякає всесвіт, могла б створити фундаментальну асиметрію лептонів: лептогенез. Сфалерони, що зберігають B - L, потім могли б використовувати лептонную асиметрію для створення баріонів асиметрії.
• Або баріогенез в масштабах теорії великого об'єднання, якщо нова фізика (і нові частинки) існують в масштабах великого об'єднання, коли електрослабкої сила об'єднується з сильною.

У цих сценаріїв є загальні елементи, тому давайте розглянемо останній з них, просто заради прикладу, щоб зрозуміти, що могло статися.

Якщо теорія великого об'єднання вірна, повиннібути нові, надважкі частки, звані X і Y, які мають як баріоноподобнимі, так і лептоноподобнимі властивостями. Також повинні бути їх партнери з антиматерії: анти-X і анти-Y, з протилежними числами B - L і протилежними зарядами, але з однією масою і часом життя. Ці пари частинка-античастинка можуть бути створені у великій кількості при досить високих енергіях, щоб згодом розпастися.

Отже, ми наповнюємо Всесвіт ними, а потім вонирозпадаються. Якщо ж у нас є C- і CP-порушення, можливо, будуть невеликі відмінності в тому, як розпадаються частинки і античастинки (X, Y і анти-X, anti-Y).

Якщо у X-частинки є два шляхи: розпад на два верхніх кварка або на два анти-нижніх кварка і позитрон, тоді anti-X повинен пройти два відповідних шляху: два анти-верхніх кварка або нижній кварк і електрон. Є суттєва відмінність, яке допускається при порушенні C- і CP: X може з більшою ймовірністю розпастися на два верхніх кварка, ніж анти-X - на два анти-верхніх кварка, тоді як анти-X з більшою ймовірністю розпадеться на нижній кварк і електрон , ніж X - на анти-верхній кварк і позитрон.

При наявності достатнього числа пар і розпаду таким чином, ви зможете легко отримати надлишок баріонів над антібаріонов (і лептонів над антілептонамі), де його раніше не було.

Це лише один приклад, який ілюструє нашеуявлення про те, що сталося. Ми почали з повністю симетричною Всесвіту, що підкоряється всім відомим законам фізики, і з гарячого, щільного, багатого стану, наповненого матерією і антиматерією в рівних кількостях. За допомогою механізму, який нам ще належить визначити, який підпорядковується трьом умовам Сахарова, ці природні процеси в кінцевому підсумку створили надлишок речовини над антиречовиною.

Той факт, що ми існуємо і складається з матерії,незаперечний; питання в тому, чому наш Всесвіт містить щось (матерію), а не нічого (адже речовини і антиречовини було порівну). Можливо, в цьому столітті ми знайдемо відповідь на це питання.

Як думаєте, чому у Всесвіті майже немає антиречовини? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.