Site Overlay

Miten maailmankaikkeutemme aine syntyi tyhjästä?

Kaikissa maailmankaikkeuden mittakaavoissa, paikallisesta naapurustostamme tähtienväliseen väliaineeseen ja yksittäisiin… galakseihin, galaksijoukkoihin, filamentteihin ja suureen kosmiseen verkkoon, kaikki havaitsemamme näyttää koostuvan tavallisesta aineesta eikä antimateriasta. Tämä on selittämätön mysteeri.

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

Kun katselee maailmankaikkeuden laajuutta, planeettoja, tähtiä, galakseja ja kaikkea, mitä tuolla ulkona on, eräs ilmiselvä kysymys suorastaan huutaa selitystä: miksi siellä on jotakin olemattoman sijaan? Ongelma pahenee entisestään, kun tarkastellaan maailmankaikkeuttamme hallitsevia fysiikan lakeja, jotka näyttävät olevan täysin symmetrisiä aineen ja antiaineen välillä. Kun kuitenkin tarkastelemme sitä, mitä tuolla ulkona on, huomaamme, että kaikki näkemämme tähdet ja galaksit koostuvat sataprosenttisesti aineesta, eikä niissä ole juuri lainkaan antiainetta. On selvää, että me olemme olemassa, samoin kuin näkemämme tähdet ja galaksit, joten jonkin on täytynyt luoda enemmän ainetta kuin antiainetta, jolloin tuntemamme maailmankaikkeus on ollut mahdollinen. Mutta miten se tapahtui? Se on yksi maailmankaikkeuden suurimmista mysteereistä, mutta olemme lähempänä kuin koskaan ratkaisua.

Universumin aine- ja energiasisältö nykyhetkellä (vasemmalla) ja aikaisempina aikoina… (oikealla). Huomaa pimeän energian ja pimeän aineen läsnäolo sekä normaalin aineen ylivoimaisuus verrattuna antiaineeseen, joka on niin vähäistä, ettei sillä ole osuutta missään esitetyistä ajoista.

NASA, muokannut Wikimedia Commonsin käyttäjä 老陳, muokannut edelleen E. Siegel

Katsokaa näitä kahta tosiasiaa maailmankaikkeudesta ja kuinka ristiriitaisia ne ovat:

  1. Kaikki havaitsemamme hiukkasten välinen vuorovaikutus kaikilla energioilla ei ole koskaan synnyttänyt tai tuhonnut ainetta ilman, että olisi syntynyt tai tuhoutunut saman verran antiainehiukkasia.
  2. Kun katsomme maailmankaikkeutta, kaikkia tähtiä, galakseja, kaasupilviä, klustereita, superklustereita ja suurimman mittakaavan rakenteita kaikkialla, kaikki näyttää olevan tehty aineesta eikä antiaineesta.

Se vaikuttaa mahdottomalta. Toisaalta maailmankaikkeuden hiukkaset ja niiden vuorovaikutukset huomioon ottaen ei tunneta mitään keinoa tehdä enemmän ainetta kuin antiainetta. Toisaalta kaikki näkemämme on varmasti tehty aineesta eikä antiaineesta. Näin sen tiedämme.

Aine/antimateriaparien (vasen) tuottaminen puhtaasta energiasta on täysin palautuva… reaktio (oikea), jossa aine/antimateria annihiloituu takaisin puhtaaksi energiaksi. Tämä E = mc^2:ta noudattava luomis- ja annihilaatioprosessi on ainoa tunnettu tapa luoda ja tuhota ainetta tai antiainetta.

Dmitri Pogosyan / Albertan yliopisto

Aina ja kaikkialla, kun antiaine ja aine kohtaavat maailmankaikkeudessa, tapahtuu fantastinen energiapurkaus hiukkas-antiaine-antihiukkas-annihilaation seurauksena. Me itse asiassa havaitsemme tämän annihilaation joissakin paikoissa, mutta vain hyperenergisten lähteiden ympärillä, jotka tuottavat ainetta ja antiainetta yhtä paljon, kuten massiivisten mustien aukkojen ympärillä. Kun antimateria törmää aineeseen maailmankaikkeudessa, se tuottaa hyvin spesifisillä taajuuksilla gammasäteilyä, jonka voimme havaita. Tähtienvälinen ja intergalaktinen väliaine on täynnä ainetta, ja näiden gammasäteiden täydellinen puuttuminen on vahva signaali siitä, että missään ei lennä suuria määriä antimateriahiukkasia, koska se aine/antimateria-merkki näkyisi.

Olipa kyse sitten tähtijoukoista, galakseista, omasta tähtimäisestä lähiympäristöstämme tai Aurinkokunnastamme, meillä on valtavat… voimakkaat rajoitteet, jotka rajoittavat antimaterian murto-osaa Universumissa. Ei voi olla epäilystäkään: kaikki maailmankaikkeudessa on ainevaltaista.

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

Oman galaksimme tähtienvälisessä väliaineessa keskimääräinen elinaika olisi noin 300 vuoden luokkaa, mikä on pikkuruinen verrattuna galaksimme ikään! Tämä rajoitus kertoo meille, että ainakin Linnunradan sisällä antimaterian määrä, joka saa sekoittua havaitsemaamme aineeseen, on korkeintaan 1 osa 1.000.000.000.000.000.000:sta! Suuremmissa mittakaavoissa – esimerkiksi galakseissa ja galaksijoukoissa – rajoitukset eivät ole yhtä tiukkoja, mutta ne ovat silti hyvin voimakkaita. Havainnot ulottuvat vain muutaman miljoonan valovuoden etäisyydeltä yli kolmen miljardin valovuoden etäisyydelle, mutta röntgen- ja gammasäteilyä, jota odottaisimme aineen ja antiaineen annihilaatiosta, on havaittu niukasti. Olemme havainneet, että jopa suurissa kosmologisissa mittakaavoissa yli 99,999 % siitä, mitä maailmankaikkeudessamme on, on varmasti ainetta (kuten me) eikä antiainetta.

Tämä on heijastussumu IC 2631, sellaisena kuin se on kuvattuna MPG/ESO 2,2 m:n teleskoopilla. Olipa kyse… omasta galaksistamme tai galaksien välisestä galaksista, ei yksinkertaisesti ole mitään todisteita gammasäteilyjäljistä, joita pitäisi olla olemassa, jos siellä olisi merkittäviä antiaineesta tehtyjä taskuja, tähtiä tai galakseja.

ESO

Jollain tapaa, vaikkemme olekaan täysin varmoja siitä, miten se on tapahtunut, maailmankaikkeuden menneisyydessä on siis täytynyt synnyttää materiaa enemmälti aineesta kuin antiaineesta. Minkä tekee vielä hämmentävämmäksi se, että hiukkasfysiikan kannalta symmetria aineen ja antiaineen välillä on vielä selvempi kuin luulisi. Esimerkiksi:

  • aina kun luomme kvarkin, luomme myös antikvarkin,
  • aina kun kvarkki tuhoutuu, tuhoutuu myös antikvarkki,
  • aina kun luomme tai tuhoamme leptonin, luomme tai tuhoamme myös samaan leptoniperheeseen kuuluvan antileptonin, ja
  • joka kerta, kun kvarkki tai lepton kokee vuorovaikutuksen, törmäyksen tai hajoamisen, kvarkkien ja leptonien kokonaisnettoluku reaktion lopussa (kvarkit miinus antikvarkit, leptonit miinus antileptonit) on lopussa sama kuin se oli alussa.

Ainut tapa, jolla olemme koskaan tehneet enemmän (tai vähemmän) ainetta maailmankaikkeuteen, on ollut tehdä myös enemmän (tai vähemmän) antiainetta saman verran.

Standardimallin hiukkaset ja antihiukkaset noudattavat kaikenlaisia säilymislakeja, mutta siinä… tiettyjen hiukkas/antihiukkasparien käyttäytymisessä on pieniä eroja, jotka voivat olla vihjeitä baryogeneesin alkuperästä.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Mutta tiedämme, että sen täytyy olla mahdollista; ainoa kysymys on, miten se tapahtui. 1960-luvun lopulla fyysikko Andrei Saharov tunnisti kolme ehtoa, jotka ovat välttämättömiä baryogeneesille eli sille, että syntyy enemmän baryoneja (protoneita ja neutroneita) kuin antibaryoneja. Ne ovat seuraavat:

  1. Universumin on oltava epätasapainoinen systeemi.
  2. Seessä on oltava C- ja CP-loukkauksia.
  3. Seessä on oltava baryonilukua rikkovia vuorovaikutuksia.

Ensimmäinen ehto on helppo, koska laajeneva, jäähtyvä maailmankaikkeus, jossa on epästabiileja hiukkasia (ja/tai antihiukkasia) sisältävä maailmankaikkeus, on määritelmällisesti epätasapainossa. Toinenkin on helppo, koska ”C”-symmetria (hiukkasten korvaaminen antihiukkasilla) ja ”CP”-symmetria (hiukkasten korvaaminen peiliin heijastetuilla antihiukkasilla) rikkoutuvat molemmat heikoissa vuorovaikutuksissa.

Normaali mesoni pyörii vastapäivään pohjoisnavansa ympärillä ja hajoaa sen jälkeen siten, että elektroni… emittoituu pohjoisnavan suuntaisesti. C-symmetrian soveltaminen korvaa hiukkaset antihiukkasilla, mikä tarkoittaa, että meidän pitäisi saada vastapäivään pohjoisnavansa ympäri pyörivä antimesoni hajoamaan emittoimalla positroni pohjoisnavan suuntaan. Vastaavasti P-symmetria kääntää sen, mitä näemme peilistä. Jos hiukkaset ja antihiukkaset eivät käyttäydy täsmälleen samalla tavalla C-, P- tai CP-symmetriassa, kyseisen symmetrian sanotaan olevan rikottu. Toistaiseksi vain heikko vuorovaikutus rikkoo mitään näistä kolmesta.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Miten jäljelle jää kysymys siitä, miten baryonilukua rikotaan. Hiukkasfysiikan standardimallissa baryoniluvun havaitusta säilymisestä huolimatta ei ole eksplisiittistä säilymislakia sen enempää baryoniluvulle kuin leptoniluvullekaan (jossa leptonilla tarkoitetaan elektronin tai neutriinon kaltaista hiukkasta). Sen sijaan vain baryonien ja leptonien välinen erotus, B – L, säilyy. Oikeissa olosuhteissa voidaan siis paitsi tehdä ylimääräisiä protoneja, myös niiden kanssa tarvittavia elektroneja.

Mitä nämä olosuhteet ovat, on kuitenkin vielä arvoitus. Maailmankaikkeuden alkuvaiheessa odotamme täysin, että ainetta ja antiainetta on olemassa yhtä paljon, hyvin suurilla nopeuksilla ja energioilla.

Korkeissa lämpötiloissa, jotka saavutetaan hyvin nuoressa maailmankaikkeudessa, hiukkasia ja fotoneja ei voida ainoastaan… syntyä spontaanisti, jos energiaa riittää, vaan myös antihiukkasia ja epästabiileja hiukkasia, jolloin syntyy primordiaalinen hiukkas- ja antihiukkaskeitto.

Brookhaven National Laboratory

Kun maailmankaikkeus laajenee ja jäähtyy, epästabiilit hiukkaset, jotka ovat kerran syntyneet suuressa määrässä, hajoavat. Oikeiden olosuhteiden vallitessa ne voivat johtaa aineen ylimäärään antiaineeseen nähden, jopa siellä missä sitä ei alun perin ollut. On kolme päävaihtoehtoa sille, miten tämä aineen ylijäämä antiaineeseen nähden on voinut syntyä:

  • Uusi fysiikka sähkösheikko-asteikolla voisi lisätä huomattavasti C- ja CP-virheiden määrää maailmankaikkeudessa, mikä johtaisi epäsymmetriaan aineen ja antiaineen välillä. Sphaleronivuorovaikutukset, jotka rikkovat B:tä ja L:ää yksitellen (mutta säilyttävät B – L:n), voivat tällöin synnyttää oikean määrän baryoneja ja leptoneita. Tämä voisi tapahtua joko ilman supersymmetriaa tai supersymmetrian kanssa, riippuen mekanismista.
  • Uusi neutriinofysiikka suurilla energioilla, josta meillä on valtavasti vihjeitä, voisi synnyttää perustavanlaatuisen leptonien epäsymmetrian jo varhain: leptogeneesin. Sphaleronit, jotka säilyttävät B – L:n, käyttäisivät sitten tuota leptonien epäsymmetriaa synnyttääkseen baryonien epäsymmetrian.
  • Tai GUT-mittakaavan baryogeneesi, jossa uutta fysiikkaa (ja uusia hiukkasia) havaitaan olevan olemassa suuressa yhdentymisasteikossa, jossa sähköheikko voima yhdentyy vahvan voiman kanssa.

Näillä skenaarioilla on kaikilla joitain yhteisiä elementtejä, joten käydään läpi esimerkinomaisesti viimeisin, jotta nähdään, mitä olisi voinut tapahtua.

Muun maailmankaikkeuden hiukkasten lisäksi, jos ajatus Suuresta yhtenäisteoriasta pätee… meidän maailmankaikkeuteemme, on olemassa ylimääräisiä superraskaita bosoneja, X- ja Y-hiukkasia sekä niiden antihiukkasia, jotka näyttäytyvät asianmukaisine varauksineen varhaisen maailmankaikkeuden muiden hiukkasten kuuman meren keskellä.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Jos suuri yhdentyminen on totta, silloin pitäisi olla uusia, superraskkaita hiukkasia, joita kutsutaan X- ja Y-hiukkasiksi ja joilla on sekä baryonien että leptonien kaltaisia ominaisuuksia. Pitäisi olla myös niiden antiainevastineet: anti-X ja anti-Y, joilla on vastakkaiset B – L luvut ja vastakkaiset varaukset, mutta sama massa ja elinikä. Näitä hiukkas-antihiukkaspareja voidaan synnyttää hyvin runsaasti riittävän suurilla energioilla, ja sitten ne hajoavat myöhempinä aikoina.

Siten maailmankaikkeutesi voi täyttyä niistä, ja sitten ne hajoavat. Jos teillä on kuitenkin C- ja CP-loukkaus, on mahdollista, että hiukkasten ja antihiukkasten (X/Y vs. anti-X/anti-Y) hajoamisen välillä on pieniä eroja.

Jos annamme X- ja Y-hiukkasten hajota esitetyiksi kvarkki- ja leptonikombinaatioiksi, niiden… antihiukkasvastineet hajoavat vastaaviksi antihiukkasyhdistelmiksi. Mutta jos CP:tä rikotaan, hajoamisreitit – tai niiden hiukkasten prosenttiosuus, jotka hajoavat tavalla tai toisella – voivat olla erilaiset X- ja Y-hiukkasille verrattuna anti-X- ja anti-Y-hiukkasiin, mikä johtaa baryonien nettotuotantoon antibaryonien sijaan ja leptonien nettotuotantoon antileptonien sijaan.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Jos X-hiukkasellasi on kaksi reittiä: hajoaminen kahdeksi up-kvarkiksi tai anti-down-kvarkiksi ja positroniksi, niin anti-X:llä on oltava kaksi vastaavaa reittiä: kaksi anti-up-kvarkkia tai down-kvarkki ja elektroni. Huomaa, että X:n B – L on molemmissa tapauksissa kaksi kolmasosaa, kun taas anti-X:n B – L on negatiivinen kaksi kolmasosaa. Y/anti-Y-hiukkasten kohdalla tilanne on samanlainen. Mutta on yksi tärkeä ero, joka sallitaan C- ja CP-loukkauksella: X voisi todennäköisemmin hajota kahdeksi up-kvarkiksi kuin anti-X hajota kahdeksi anti-up-kvarkiksi, kun taas anti-X voisi todennäköisemmin hajota down-kvarkiksi ja elektroniksi kuin X hajota anti-down-kvarkiksi ja positroniksi.

Jos on tarpeeksi X/anti-X- ja Y/anti-Y-pareja, ja ne hajoavat tällä sallitulla tavalla, voidaan helposti saada aikaan baryonien ylimäärää antibaryonien yli (ja leptonien ylimäärää anti-leptonien yli) siellä, missä niitä ei aiemmin ollut.

Jos hiukkaset hajoaisivat edellä kuvatun mekanismin mukaisesti, jäljelle jäisi… ylijäämä kvarkkeja yli antikvarkkien (ja leptoneja yli antileptoneiden) sen jälkeen, kun kaikki epävakaat, superraskkaat hiukkaset olisivat hajonneet. Kun ylimääräiset hiukkas-antihiukkasparit annihiloituisivat pois (sovitettu yhteen katkoviivoilla), jäljelle jäisi ylimäärä ylös- ja alaspäin suuntautuvia kvarkkeja, jotka muodostavat protonit ja neutronit yhdistelminä ylös-ylös-alas ja ylös-alas-alas, sekä elektroneja, joiden lukumäärä vastaa protonien lukumäärää.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Toisin sanoen voidaan aloittaa täysin symmetrisestä maailmankaikkeudesta, joka noudattaa kaikkia tunnettuja fysiikan lakeja ja joka luo spontaanisti ainetta ja antiainetta vain yhtä suurina ja vastakkaisina pareina, ja päätyä lopulta siihen, että ainetta on ylijäämäisesti enemmän kuin antiainetta. Meillä on useita mahdollisia reittejä menestykseen, mutta on hyvin todennäköistä, että luonto tarvitsi vain yhden niistä antaakseen meille maailmankaikkeutemme.

Tosiasiassa se, että me olemme olemassa ja että meidät on tehty aineesta, on kiistaton tosiasia; kysymykseen siitä, miksi maailmankaikkeutemme sisältää jotakin (ainetta) sen sijaan, että se ei sisältäisi mitään (yhtä suuresta määrästä ainetta ja antiainetta), on löydettävä vastaus. Tällä vuosisadalla edistysaskeleet tarkkuuselektroheikkotesteissä, törmäysteknologiassa ja kokeissa, joissa tutkitaan standardimallin ulkopuolista hiukkasfysiikkaa, voivat paljastaa tarkalleen, miten se tapahtui. Ja kun näin tapahtuu, yksi koko olemassaolon suurimmista mysteereistä saa vihdoin ratkaisun.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.