Generelt

Det er nesten ingen antimatter i universet. Hvorfor?

Når vi ser på universet, på alle planeterog stjerner, galakser og klynger, gass, støv, plasma ser vi de samme signaturene overalt. Vi ser linjer med atomabsorpsjon og utslipp, vi ser at saken virker sammen med andre former for materie, vi ser stjernedannelse og død av stjerner, kollisjoner, røntgenstråler og mye mer. Det er et åpenbart spørsmål som krever en forklaring: Hvorfor ser vi alt dette? Hvis fysikkloven dikterer symmetrien mellom materie og antimatter, bør universet vi observerer ikke eksistere.

Men vi er her, og ingen vet hvorfor.

Hvorfor er det ingen antimatter i universet?

Tenk på disse to motstridende, ved første øyekast fakta:

  • Hver interaksjon mellom partikler vihar noen gang blitt observert ved enhver energi, aldri opprettet og ødela ikke en partikkel av materie, uten å skape eller ødelegge et like antall partikler av animatør. Fysisk symmetri mellom materie og antimatter er veldig streng, fordi:
    • hver gang vi lager en kvark eller lepton, lager vi også antikvark og antilepton;
    • hver gang en kvark eller lepton blir ødelagt, blir en antikvark eller antilepton også ødelagt;
    • opprettet eller ødelagt leptoner og antileptonermå være i balanse over hele familien av Letpons, og hver gang en kvark eller lepton samhandler, kolliderer eller forfall, skal det totale antall kvarker og leptoner ved slutten av reaksjonen (kvarker minus antikviteter, leptoner minus antileptoner) være og vil være det samme som det var i begynnelsen .

    Den eneste måten å endre mengden saken i universet innebar også en endring i mengden antimateriell med samme mengde.

    Og likevel er det et andre faktum.

  • Når vi ser på universet, på alle stjernene,galakser, gassskyger, klynger, superclusters og storskala strukturer, ser det ut til at alt dette består av materie, ikke antimateriell. Overalt og overalt, hvor antimateriell og materie er funnet i universet, oppstår en fantastisk utslipp av energi på grunn av tilintetgjørelse av partikler.
  • Men vi ser ingen tegn på ødeleggelse.antimatter stoffer i den største skalaen. Vi ser ingen indikasjon på at noen av stjernene, galakser eller planeter vi ser er laget av antimatter. Vi ser ikke de karakteristiske gammastrålene, som man ville forvente å se om antimatter hadde oppstått saken og ødelagt. I stedet overalt ser vi bare noe, uansett hvor du ser ut.

    Og det virker umulig. På den ene siden er det ingen kjent måte å gjøre mer saken enn antimatter, hvis vi vender seg til partikler og deres samspill i universet. På den annen side er alt som vi ser, definitivt sammensatt av et stoff, ikke antimateriell.

    Faktisk observert vi utslettingen av saken ogantimateriell i noen ekstreme astrofysiske forhold, men bare nær hyper-energikilder som produserer materiale og antimateriell i like store mengder - for eksempel svarte hull. Når antimatter kolliderer med materie i universet, produserer det gammastråler med svært spesifikke frekvenser som vi da kan oppdage. Det interstellære intergalaktiske mediet er fullt av materiale, og det komplette fraværet av disse gammastrålene er et sterkt signal om at det aldri er flere antimatterpartikler, siden da ble det registrert en signatur av materieantimatter.

    Hvis du kaster en bit antimatter inn i vårtgalakse, vil det vare ca 300 år før det blir ødelagt av en partikkel av materie. Denne begrensningen forteller oss at mengden antimateriell i Melkeveien ikke kan overstige verdien av 1 partikkel per kvadrillion (1015), i forhold til total mengde materie.

    I stor skala - satellittskalaergalakser, store galakser av størrelsen på Melkeveien og til og med klynger av galakser - restriksjonene er mindre strenge, men fortsatt veldig sterke. Observasjon av avstander fra flere millioner lysår til tre milliarder lyse år, observerte vi mangel på røntgenstråler og gammastråler, noe som kunne tyde på utsletting av materie og antimateriell. Selv på en stor kosmologisk skala vil 99,999% av det som finnes i vårt univers, absolutt bli representert av materie (som vi er), og ikke ved antimatter.

    Hvordan fant vi oss i en slik situasjon somUniverset består av en stor mengde materie og inneholder nesten ingen antimatter, hvis naturlover er helt symmetriske mellom materie og antimatter? Vel, det er to alternativer: Universet ble født med mer materie enn antimateriell, eller noe skjedde tidlig, da universet var veldig varmt og tett, og ga opphav til asymmetrien av materie og antimatter, som ikke var der.

    Den første ideen om å kontrollere vitenskapelig uten å gjenopprettehele universet vil mislykkes, men det andre er veldig overbevisende. Hvis vårt univers på en eller annen måte opprettet en asymmetri av materie og antimateri der den ikke var der opprinnelig, vil reglene som fungerte da forbli uendret i dag. Hvis vi er klare nok, kan vi utvikle eksperimentelle tester som avslører materiellets opprinnelse i vårt univers.

    På slutten av 1960-tallet identifiserte fysiker Andrei Sakharov tre forhold som var nødvendige for baryogenese eller dannelsen av flere baryoner (protoner og nøytroner) enn anti-baryoner. Her er de:

  • Universet må være et ikke-likevektssystem.
  • Det må inneholde C- og CP-brudd.
  • Det må være samhandlinger som bryter med baryon nummeret.
  • Den første er enkel fordi den ekspanderer ogKjøleuniverset med ustabile partikler i det (og antipartikler), per definisjon, vil være ute av balanse. Den andre er også enkel, fordi C-symmetri (erstatning av partikler med antipartikler) og CP-symmetri (erstatning av partikler med speilreflekterte antipartikler) brytes i mange svake vekselvirkninger som involverer rare, fortryllede og vakre kvarker.

    Spørsmålet er fortsatt å bryte baryon nummeret. Eksperimentelt observert vi at balansen mellom kvarker og antikviteter og leptoner til antileptoner er klart bevart. Men i standardmodellen av elementarpartikkelfysikk er det ingen eksplisitt bevaringslov for noen av disse mengdene separat.

    Det tar tre kvarker å lage en baryon, såFor hver tredje kvark tildeler vi et baryonnummer (B) 1. På samme måte vil hver lepton få et leptonnummer (L) 1. Antikvarker, anti-baryoner og anti-blint vil ha negative tall B og L.

    Men i henhold til standardmodellens reglerbare forskjellen mellom baryoner og leptoner. Under de rette omstendighetene kan du ikke bare lage flere protoner, men også elektroner til dem. De eksakte omstendighetene er ukjente, men Big Bang ga dem muligheten til å materialisere seg.

    De aller første stadiene av universetDe er beskrevet av utrolig høye energier: høyt nok til å lage alle kjente partikler og antipartikkel i store mengder i henhold til Einsteins berømte formel E = mc2. Hvis dannelsen og ødeleggelsen av partikler virker som vi tror, ​​burde det tidlige universet ha blitt fylt med like mange partikler av materie og antimateriell, som forvandlet til hverandre, fordi den tilgjengelige energien forblir ekstremt høy.

    Med utvidelse og kjøling av universetustabile partikler, en gang skapt i overflod, vil kollapse. Hvis de rette forholdene er oppfylt - spesielt de tre betingelsene for sukker - dette kan føre til overskudd av substans over antimatter, selv om det ikke var opprinnelig der. Utfordringen for fysikere er å skape et levedyktig scenario, i samsvar med observasjoner og eksperimenter, som kan gi deg et tilstrekkelig overskudd av materiell over antimateriell.

    Det er tre hovedmuligheter for dette overskudd av substans over antimateriell:

    • Den nye fysikken i electroweak skalaen kanøker antallet C- og CP-brudd i universet betydelig, noe som vil føre til asymmetri mellom materie og antimateriell. Standardmodellinteraksjoner (gjennom sphaleronprosessen), som bryter B og L individuelt (men beholder B - L), kan skape de nødvendige volumene av baryoner og leptoner.
    • Ny neutrino fysikk ved høye energier, påsom universet hint på oss, kunne skape en fundamental asymmetri av leptoner: leptogenese. Sphalerone bevarer B - L kan deretter bruke lepton asymmetri for å skape baryon asymmetri.
    • Eller baryogenese på omfanget av teorien om stor forening, hvis ny fysikk (og nye partikler) eksisterer på omfanget av stor forening, når elektroveakskraften kombinerer med den sterke.

    Disse scenariene har felles elementer, så la oss se på den siste, for eksempel, for å forstå hva som kunne ha skjedd.

    Hvis teorien om stor forening er riktig,å være nye, super-tunge partikler, kalt X og Y, som har både baryonlignende og leptonlignende egenskaper. Deres partnere fra antimatter bør også være: anti-X og anti-Y, med motsatte tall B - L og motsatte ladninger, men med samme masse og levetid. Disse partikkel-antipartikkelparene kan opprettes i store mengder ved tilstrekkelig høye energier til senere henfall.

    Så vi fyller universet med dem, og så defalle fra hverandre. Hvis vi har C- og CP-brudd, kan det være små forskjeller i hvordan partikler og antipartikler forfall (X, Y og anti-X, anti-Y).

    Hvis X-partikkelen har to måter: forfall i to topp kvarker eller to bunn kvarker og en positron, så må anti-X gå gjennom to passende måter: to anti-top kvarker eller en bunn kvark og et elektron. Det er en viktig forskjell som er tillatt når C- og CP er brutt: X kan mer sannsynlig splitte i to øvre kvarker enn anti-X i to anti-øvre kvarker, mens anti-X er mer sannsynlig å bryte ned i lavere kvark , enn X-on anti-top quark og positron.

    Med et tilstrekkelig antall par og forfall på denne måten, kan du lett få et overskudd av baryoner over antibaryons (og leptoner over antileptoner), der det ikke var der før.

    Dette er bare ett eksempel som illustrerer våride om hva som skjedde. Vi startet med et helt symmetrisk univers, som adlyder alle kjente fysikklover, og med en varm, tett, rik stat fylt med materie og antimateriell i like store mengder. Ved hjelp av den mekanismen som vi ennå ikke har bestemt seg for, underlagt de tre forholdene i Sakharov, skapte disse naturlige prosessene til slutt et overskudd av substans over antimateriell.

    Det faktum at vi eksisterer og består av materieunektelig; Spørsmålet er hvorfor vårt univers inneholder noe (materie), og ikke noe (tross alt, saken og antimatteren var like delt). Kanskje i dette århundret finner vi svaret på dette spørsmålet.

    Hvorfor tror du det er nesten ingen antimatter i universet? Fortell oss i vår chat i Telegram.

    Facebook -melding for EU! Du må logge inn for å se og legge ut FB -kommentarer!