Site Overlay

Hvordan opstod stoffet i vores univers fra ingenting?

På alle skalaer i universet, fra vores lokalområde til det interstellare medium til individuelle… galakser til klynger til filamenter og det store kosmiske net, ser alt, hvad vi observerer, ud til at være lavet af normalt stof og ikke af antimaterie. Dette er et uforklarligt mysterium.

NASA, ESA og Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Når man ser ud på universets uendelighed, på planeterne, stjernerne, galakserne og alt det, der er derude, er der et indlysende spørgsmål, der skriger på en forklaring: Hvorfor er der noget i stedet for ingenting? Problemet bliver endnu værre, når man tænker på de fysiske love, der gælder for vores univers, og som synes at være fuldstændig symmetriske mellem stof og antimaterie. Men når vi ser på det, der findes derude, kan vi konstatere, at alle de stjerner og galakser, vi ser, består 100 % af stof og næsten ingen antimaterie overhovedet. Det er klart, at vi eksisterer, ligesom de stjerner og galakser, vi ser, så noget må have skabt mere stof end antimaterie, hvilket har gjort det univers, vi kender, muligt. Men hvordan skete det? Det er et af universets største mysterier, men et mysterium, som vi er tættere på at løse end nogensinde før.

Materie- og energiindholdet i universet på nuværende tidspunkt (til venstre) og på tidligere tidspunkter… (til højre). Bemærk tilstedeværelsen af mørk energi, mørkt stof og forekomsten af normalt stof frem for antimaterie, som er så lille, at det ikke bidrager på nogen af de viste tidspunkter.

NASA, ændret af Wikimedia Commons-brugeren 老陳, yderligere ændret af E. Siegel

Betragt disse to kendsgerninger om universet, og hvor modstridende de er:

  1. Alle vekselvirkninger mellem partikler, som vi nogensinde har observeret, ved alle energier, har aldrig skabt eller ødelagt en eneste stofpartikel uden også at skabe eller ødelægge et lige så stort antal antimateriepartikler.
  2. Når vi ser ud på universet, på alle stjerner, galakser, gasskyer, klynger, superklynger og strukturer i den største skala overalt, ser alt ud til at være lavet af stof og ikke af antimaterie.

Det virker som en umulighed. På den ene side er der ingen kendt måde, i betragtning af partiklerne og deres vekselvirkninger i universet, at lave mere stof end antimaterie. På den anden side er alt, hvad vi ser, helt sikkert lavet af stof og ikke af antimaterie. Her er hvordan vi ved det.

Produktionen af stof/antistof-par (til venstre) fra ren energi er en fuldstændig reversibel … reaktion (til højre), hvor stof/antistof annihileres tilbage til ren energi. Denne skabelses-og-annihileringsproces, som adlyder E = mc^2, er den eneste kendte måde at skabe og ødelægge stof eller antimaterie på.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

Når og hvor som helst antimaterie og stof mødes i universet, sker der et fantastisk energiudbrud på grund af partikel-antipartikel-annihilering. Vi observerer faktisk denne annihilation nogle steder, men kun omkring hyperenergiske kilder, der producerer stof og antimaterie i lige store mængder, som f.eks. omkring massive sorte huller. Når antimaterien støder på materie i universet, producerer den gammastråler med meget specifikke frekvenser, som vi så kan påvise. Det interstellare og intergalaktiske medium er fyldt med stof, og den fuldstændige mangel på disse gammastråler er et stærkt signal om, at der ikke flyver store mængder antimateriepartikler rundt nogen steder, da denne stof/antistof-signatur ville dukke op.

Hvad enten det er i klynger, galakser, vores eget stjernekvarter eller vores solsystem, har vi enorme,… stærke grænser for fraktionen af antimaterie i Universet. Der kan ikke være nogen tvivl: Alt i universet er materiedomineret.

Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

I vores egen galakses interstellare medium ville den gennemsnitlige levetid være i størrelsesordenen ca. 300 år, hvilket er meget lille sammenlignet med vores galakses alder! Denne begrænsning fortæller os, at i det mindste inden for Mælkevejen er mængden af antimaterie, der har lov til at blive blandet med den materie, vi observerer, højst 1 del i 1.000.000.000.000.000.000.000! På større skalaer – f.eks. i galakser og galaksehobe – er begrænsningerne mindre strenge, men stadig meget stærke. Med observationer, der strækker sig fra blot et par millioner lysår til over tre milliarder lysår væk, har vi observeret en mangel på røntgen- og gammastråler, som vi ville forvente fra stof-antistof-antimaterie-annihilation. Det vi har set er, at selv på store kosmologiske skalaer er 99,999%+ af det, der eksisterer i vores univers, helt sikkert stof (som os) og ikke antimaterie.

Dette er reflektionsnebelen IC 2631, som den er afbilledet af MPG/ESO 2,2-m-teleskopet. Uanset om det er i vores… egen galakse eller mellem galakser, er der simpelthen ingen tegn på de gammastrålesignaturer, der skulle være til stede, hvis der var betydelige lommer, stjerner eller galakser lavet af antimaterie.

ESO

Så på en eller anden måde, selv om vi ikke er helt sikre på hvordan, må vi have skabt mere stof end antimaterie i universets fortid. Hvilket gøres endnu mere forvirrende af det faktum, at symmetrien mellem stof og antimaterie, hvad angår partikelfysik, er endnu mere eksplicit, end man skulle tro. For eksempel:

  • Hver gang vi skaber en kvark, skaber vi også en antikvark,
  • Hver gang en kvark destrueres, destrueres også en antikvark,
  • Hver gang vi skaber-eller destruerer en lepton, skaber-eller destruerer vi også en antilepton fra samme leptonfamilie, og
  • hver gang en kvark eller lepton oplever en vekselvirkning, kollision eller henfald, er det samlede nettotal af kvarker og leptoner ved reaktionens afslutning (kvarker minus antikvarker, leptoner minus antileptoner) det samme ved afslutningen som ved begyndelsen.

Den eneste måde, hvorpå vi nogensinde har lavet mere (eller mindre) stof i universet, har været at lave mere (eller mindre) antimaterie i lige så stor mængde.

Standardmodellens partikler og antipartikler adlyder alle mulige bevarelseslove, men der… er der små forskelle mellem visse partikel/antipartikel pars opførsel, som kan være tegn på baryogenesens oprindelse.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Men vi ved, at det må være muligt; det eneste spørgsmål er, hvordan det er sket. I slutningen af 1960’erne identificerede fysikeren Andrei Sakharov tre betingelser, der er nødvendige for baryogenese, eller skabelsen af flere baryoner (protoner og neutroner) end antibaryonerne. De er som følger:

  1. Universet skal være et system, der er ude af ligevægt.
  2. Det skal udvise C- og CP-overtrædelse.
  3. Der skal være baryonantal-overtrædende vekselvirkninger.

Den første er nem, fordi et ekspanderende, afkølende univers med ustabile partikler (og/eller antipartikler) i det er pr. definition ude af ligevægt. Den anden er også let, da “C”-symmetri (udskiftning af partikler med antipartikler) og “CP”-symmetri (udskiftning af partikler med spejlreflekterede antipartikler) begge overtrædes i de svage vekselvirkninger.

En normal meson drejer mod uret om sin nordpol og henfalder derefter med en elektron, der … udsendes langs nordpolens retning. Ved at anvende C-symmetri erstattes partiklerne med antipartikler, hvilket betyder, at vi skulle have en antimeson, der spinner mod uret om sin nordpol, henfalde ved at emittere en positron i nordlig retning. På samme måde vender P-symmetri det, vi ser i et spejl, om. Hvis partikler og antipartikler ikke opfører sig nøjagtigt ens under C-, P- eller CP-symmetrier, siges den pågældende symmetri at være overtrådt. Indtil videre er det kun den svage vekselvirkning, der overtræder nogen af de tre.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Det efterlader spørgsmålet om, hvordan man overtræder baryonantallet. I partikelfysikkens standardmodel er der, på trods af den observerede bevarelse af baryonantallet, ikke en eksplicit bevarelseslov for hverken dette eller leptonantallet (hvor en lepton er en partikel som en elektron eller en neutrino). I stedet er det kun forskellen mellem baryoner og leptoner, B – L, der er bevaret. Så under de rette omstændigheder kan man ikke blot lave ekstra protoner, man kan også lave de elektroner, man har brug for sammen med dem.

Hvad disse omstændigheder er, er dog stadig et mysterium. I universets tidlige stadier forventer vi fuldt ud, at der findes lige store mængder stof og antimaterie med meget høje hastigheder og energier.

På de høje temperaturer, der opnås i det meget unge univers, kan ikke kun partikler og fotoner… spontant skabes, hvis de får tilstrækkelig energi, men også antipartikler og ustabile partikler, hvilket resulterer i en primordial partikel-og-antipartikelsuppe.

Brookhaven National Laboratory

I takt med at universet udvider sig og afkøles, vil ustabile partikler, der engang blev skabt i stor mængde, henfalde. Hvis de rette betingelser er opfyldt, kan de føre til et overskud af materie i forhold til antimaterie, selv hvor der oprindeligt ikke var nogen. Der er tre førende muligheder for, hvordan dette overskud af stof i forhold til antimaterie kunne være opstået:

  • Ny fysik på den elektrosvage skala kunne i høj grad øge mængden af C- og CP-krænkelser i universet, hvilket kunne føre til en asymmetri mellem stof og antimaterie. Sphaleron-interaktioner, der krænker B og L hver for sig (men bevarer B – L) kan så generere de rette mængder af baryoner og leptoner. Dette kan ske enten uden supersymmetri eller med supersymmetri, afhængigt af mekanismen.
  • Ny neutrino-fysik ved høje energier, som vi har et enormt hint om, kunne skabe en fundamental lepton-asymmetri tidligt: leptogenese. Sphaleronerne, som bevarer B – L, ville derefter bruge denne leptonasymmetri til at skabe en baryonasymmetri.
  • Og baryogenese på GUT-skalaen, hvor man finder ny fysik (og nye partikler) på den store foreningsskala, hvor den elektrosvage kraft forenes med den stærke kraft.

Disse scenarier har alle nogle elementer til fælles, så lad os gennemgå det sidste, blot som et eksempel, for at se, hvad der kunne være sket.

I tillæg til de andre partikler i universet vil der, hvis ideen om en Grand Unified Theory gælder for … vores univers, være yderligere supertunge bosoner, X- og Y-partikler, sammen med deres antipartikler, der vises med deres passende ladninger midt i det varme hav af andre partikler i det tidlige univers.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Hvis grand unification er sandt, så burde der være nye, supertunge partikler, kaldet X og Y, som har både baryon-lignende og lepton-lignende egenskaber. Der burde også være deres antimaterie-modstykker: anti-X og anti-Y, med de modsatte B – L tal og de modsatte ladninger, men med samme masse og levetid. Disse partikel-antipartikelpar kan skabes i stor mængde ved tilstrækkeligt høje energier, og vil så henfalde på senere tidspunkter.

Så dit univers kan fyldes med dem, og så vil de henfalde. Hvis du imidlertid har C- og CP-overtrædelser, så er det muligt, at der er små forskelle på, hvordan partikler og antipartikler (X/Y vs. anti-X/anti-Y) henfalder.

Hvis vi tillader X- og Y-partikler at henfalde til de viste kvark- og leptonkombinationer, så vil deres… antipartikel-modstykker henfalde til de respektive antipartikelkombinationer. Men hvis CP overtrædes, kan henfaldsvejene – eller procentdelen af partikler, der henfalder på den ene måde i forhold til den anden – være forskellige for X- og Y-partiklerne sammenlignet med anti-X- og anti-Y-partiklerne, hvilket resulterer i en nettoproduktion af baryoner frem for antibaryoner og leptoner frem for antileptoner.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Hvis din X-partikel har to henfaldsveje: henfald til to up-kvarker eller en anti-down-kvark og en positron, så må anti-X have to tilsvarende henfaldsveje: to anti-up-kvarker eller en down-kvark og en elektron. Bemærk, at X’et har B – L på to tredjedele i begge tilfælde, mens anti-X’et har negative to tredjedele. Det er tilsvarende for Y/anti-Y-partiklerne. Men der er en vigtig forskel, som er tilladt med C- og CP-overtrædelse: X’et kunne have større sandsynlighed for at henfalde til to up-kvarker, end anti-X’et har for at henfalde til to anti-up-kvarker, mens anti-X’et kunne have større sandsynlighed for at henfalde til en down-kvark og en elektron, end X’et har for at henfalde til en anti-down-kvark og en positron.

Hvis man har nok X/anti-X- og Y/anti-Y-par, og de henfalder på denne tilladte måde, kan man nemt lave et overskud af baryoner i forhold til antibaryoner (og leptoner i forhold til anti-leptoner), hvor der ikke tidligere var noget overskud.

Hvis partiklerne henfaldt efter den ovenfor beskrevne mekanisme, ville vi stå tilbage med et … overskud af kvarker over antivarker (og leptoner over antileptoner) efter at alle de ustabile, supertunge partikler er henfaldet væk. Efter at de overskydende partikel-antipartikelpartikler er annihileret væk (matchet med stiplede røde linjer), vil vi være tilbage med et overskud af up-and-down kvarker, som udgør protoner og neutroner i kombinationer af henholdsvis up-up-down og up-down-down, samt elektroner, som vil matche protonerne i antal.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Med andre ord kan man starte med et fuldstændig symmetrisk univers, et univers, der adlyder alle de kendte fysiske love, og som spontant kun skaber stof og antimaterie i lige store og modsatte par, og ende med et overskud af stof i forhold til antimaterie i sidste ende. Vi har flere mulige veje til succes, men det er meget sandsynligt, at naturen kun havde brug for én af dem for at give os vores univers.

Det faktum, at vi eksisterer og er lavet af stof, er ubestrideligt; spørgsmålet om, hvorfor vores univers indeholder noget (stof) i stedet for ingenting (fra en lige stor blanding af stof og antimaterie), er et spørgsmål, der må have et svar. I dette århundrede kan fremskridt inden for elektrosvage præcisionstest, colliderteknologi og eksperimenter, der undersøger partikelfysik ud over standardmodellen, måske afsløre præcis, hvordan det skete. Og når det sker, vil et af de største mysterier i hele tilværelsen endelig have en løsning.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.