Site Overlay

Hogyan keletkezett az anyag a világegyetemünkben a semmiből?

A Világegyetem minden skáláján, a helyi szomszédságunktól a csillagközi közegig, az egyes… galaxisoktól a halmazokon át a filamentumokig és a nagy kozmikus hálóig, úgy tűnik, hogy minden, amit megfigyelünk, normál anyagból és nem antianyagból áll. Ez egy megmagyarázhatatlan rejtély.

NASA, ESA és a Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Amikor az ember végignéz az Univerzum kiterjedésén, a bolygókon, csillagokon, galaxisokon és mindenen, ami odakint van, egy nyilvánvaló kérdés magyarázatért kiált: miért van ott valami a semmi helyett? A probléma még súlyosabbá válik, ha figyelembe vesszük az Univerzumunkat irányító fizikai törvényeket, amelyek látszólag teljesen szimmetrikusak az anyag és az antianyag között. Mégis, ha megnézzük, mi van odakint, azt találjuk, hogy az összes csillag és galaxis, amit látunk, 100%-ban anyagból áll, és alig van benne antianyag. Nyilvánvaló, hogy mi is létezünk, akárcsak az általunk látott csillagok és galaxisok, tehát valaminek több anyagot kellett létrehoznia, mint antianyagot, ami lehetővé tette az általunk ismert Univerzumot. De hogyan történt ez? Ez az Univerzum egyik legnagyobb rejtélye, amelynek megoldásához azonban közelebb vagyunk, mint valaha.

Az Univerzum anyag- és energiatartalma a jelenlegi (balra) és a korábbi időkben… (jobbra). Figyeljük meg a sötét energia és a sötét anyag jelenlétét, valamint a normál anyag túlsúlyát az antianyaggal szemben, amely olyan parányi, hogy a bemutatott időpontokban nem járul hozzá.

NASA, módosította a Wikimedia Commons felhasználó 老陳, tovább módosította E. Siegel

Nézzük meg ezt a két tényt az Univerzumról, és hogy mennyire ellentmondásosak:

  1. Minden általunk valaha megfigyelt részecskék közötti kölcsönhatás, minden energiánál, soha egyetlen anyagrészecskét sem hozott létre vagy semmisített meg anélkül, hogy ugyanennyi antianyag-részecskét is létrehozott vagy megsemmisített volna.
  2. Amikor kinézünk az Univerzumba, az összes csillagra, galaxisra, gázfelhőre, halmazra, szuperhalmazra és a legnagyobb méretű struktúrákra mindenütt, úgy tűnik, hogy minden anyagból és nem antianyagból áll.

Az lehetetlennek tűnik. Egyrészt az Univerzumban lévő részecskék és kölcsönhatásaik ismeretében nincs ismert mód arra, hogy több anyagot hozzunk létre, mint antianyagot. Másrészt minden, amit látunk, egyértelműen anyagból és nem antianyagból áll. Íme, honnan tudjuk.

Az anyag-antianyag párok (balra) tiszta energiából történő előállítása teljesen reverzibilis… reakció (jobbra), az anyag-antianyag annihilálódik vissza tiszta energiává. Ez az E = mc^2-nek engedelmeskedő teremtés-antirészecske folyamat az egyetlen ismert módja az anyag vagy antianyag létrehozásának és megsemmisítésének.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

Ahol és amikor az antianyag és az anyag találkozik az Univerzumban, ott fantasztikus energiakitörés következik be a részecske-antirészecske annihiláció következtében. Ezt az annihilációt valóban megfigyeljük néhány helyen, de csak olyan hiper-energetikus források körül, amelyek egyenlő mennyiségben termelnek anyagot és antianyagot, mint például a hatalmas fekete lyukak körül. Amikor az antianyag az Univerzumban anyagba ütközik, nagyon specifikus frekvenciájú gammasugarak keletkeznek, amelyeket aztán ki tudunk mutatni. A csillagközi és intergalaktikus közeg tele van anyaggal, és ezeknek a gammasugaraknak a teljes hiánya erős jelzése annak, hogy sehol sem repkednek nagy mennyiségű antianyag-részecskék, hiszen az anyag-antianyag szignál megjelenne.

Akár halmazokban, akár galaxisokban, akár saját csillagszomszédságunkban vagy a Naprendszerünkben, hatalmas,… erős határaink vannak az antianyag frakciójának az Univerzumban. Nem lehet kétséges: az Univerzumban minden anyagdominált.

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

A saját galaxisunk csillagközi közegében az átlagos élettartam körülbelül 300 év nagyságrendű lenne, ami galaxisunk korához képest elenyésző! Ez a megkötés azt mondja, hogy – legalábbis a Tejútrendszeren belül – az általunk megfigyelt anyaggal keveredő antianyag mennyisége legfeljebb 1 rész az 1.000.000.000.000.000-hez! Nagyobb léptékben – például galaxisok és galaxishalmazok esetében – a korlátozások kevésbé szigorúak, de még mindig nagyon erősek. A mindössze néhány millió fényév távolságtól több mint hárommilliárd fényév távolságig terjedő megfigyelések során kevés olyan röntgen- és gammasugárzást figyeltünk meg, amelyet az anyag-antianyag megsemmisüléstől várnánk. Azt láttuk, hogy még nagy, kozmológiai léptékben is az Univerzumunkban létező dolgok 99,999%-a biztosan anyag (mint mi) és nem antianyag.

Ez az IC 2631 jelű reflexiós köd az MPG/ESO 2,2 m-es távcsövének felvételein. Akár a… saját galaxisunkon belül, akár a galaxisok között, egyszerűen nincs bizonyíték a gamma-sugárzási jelekre, amelyeknek létezniük kellene, ha jelentős antianyagból álló zsebek, csillagok vagy galaxisok lennének.

ESO

Az Univerzum múltjában tehát valahogy – bár nem vagyunk teljesen biztosak benne, hogyan – több anyagot kellett létrehoznunk, mint antianyagot. Amit még zavarosabbá tesz az a tény, hogy az anyag és az antianyag közötti szimmetria a részecskefizika szempontjából még egyértelműbb, mint gondolnánk. Például:

  • minden alkalommal, amikor létrehozunk egy kvarkot, létrehozunk egy antiquarkot is,
  • minden alkalommal, amikor egy kvark megsemmisül, egy antiquark is megsemmisül,
  • minden alkalommal, amikor létrehozunk vagy megsemmisítünk egy leptont, létrehozunk vagy megsemmisítünk egy antileptont is ugyanabból a leptoncsaládból, és
  • minden alkalommal, amikor egy kvark vagy lepton kölcsönhatásba, ütközésbe vagy bomlásba kerül, a kvarkok és leptonok teljes nettó száma a reakció végén (kvarkok mínusz antikvarkok, leptonok mínusz antileptonok) ugyanaz a végén, mint az elején.

Az egyetlen mód, ahogyan valaha is több (vagy kevesebb) anyagot csináltunk az Univerzumban, az volt, hogy ugyanolyan mennyiségben több (vagy kevesebb) antianyagot is csináltunk.

A Standard Modell részecskéi és antirészecskéi mindenféle megőrzési törvénynek engedelmeskednek, de ott… bizonyos részecske-antirészecske párok viselkedése között apró különbségek vannak, amelyek utalások lehetnek a bariogenezis eredetére.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

De tudjuk, hogy lehetségesnek kell lennie; a kérdés csak az, hogyan történt. Az 1960-as évek végén Andrej Szaharov fizikus három feltételt azonosított, amelyek szükségesek a bariogenezishez, vagyis ahhoz, hogy több barion (proton és neutron) keletkezzen, mint anti-barion. Ezek a következők:

  1. Az Univerzumnak egy egyensúlyon kívüli rendszernek kell lennie.
  2. C- és CP-sértést kell mutatnia.
  3. Baryonszámot sértő kölcsönhatásoknak kell lennie.

Az első könnyű, mert egy táguló, hűlő Univerzum, amelyben instabil részecskék (és/vagy antirészecskék) vannak, definíció szerint egyensúlyon kívüli. A második is könnyű, mivel a “C” szimmetria (a részecskék felcserélése antirészecskékkel) és a “CP” szimmetria (a részecskék felcserélése tükörreflexiós antirészecskékkel) egyaránt sérül a gyenge kölcsönhatásokban.

Egy normál mezon az északi pólus körül az óramutató járásával ellentétesen forog, majd egy elektron bomlásával… az északi pólus iránya mentén bocsátódik ki. A C-szimmetria alkalmazása a részecskéket antirészecskékkel helyettesíti, ami azt jelenti, hogy egy az északi pólusa körül az óramutató járásával ellentétesen forgó antimezon az északi irányban egy pozitron kibocsátásával kellene bomlania. Hasonlóképpen, a P-szimmetria megfordítja azt, amit a tükörben látunk. Ha a részecskék és antirészecskék nem viselkednek pontosan ugyanúgy a C-, P- vagy CP-szimmetriák szerint, akkor azt mondjuk, hogy az adott szimmetria sérült. Eddig csak a gyenge kölcsönhatás sérti meg a három közül bármelyiket.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Ezután marad a kérdés, hogyan sértjük meg a barionszámot. A részecskefizika Standard Modelljében a barionszám megfigyelt megőrzése ellenére nincs kifejezett megőrzési törvény sem erre, sem a leptonszámra (ahol a lepton olyan részecske, mint az elektron vagy a neutrínó). Ehelyett csak a barionok és leptonok közötti különbség, B – L, az, ami megmarad. Tehát megfelelő körülmények között nemcsak extra protonokat, hanem a hozzájuk szükséges elektronokat is előállíthatod.

Az azonban, hogy mik ezek a körülmények, még mindig rejtély. Az Univerzum korai szakaszában teljes mértékben arra számítunk, hogy egyenlő mennyiségű anyag és antianyag létezik, nagyon nagy sebességgel és energiával.

A nagyon fiatal Univerzumban elért magas hőmérsékleten nemcsak részecskék és fotonok… hanem antirészecskék és instabil részecskék is spontán létrejönnek, ha elegendő energiát kapnak, ami egy ősi részecske- és antirészecske levest eredményez.

Brookhaven National Laboratory

Amint az Univerzum tágul és lehűl, az instabil részecskék, amelyek egyszer nagy mennyiségben keletkeztek, bomlani fognak. Ha a megfelelő feltételek fennállnak, ezek az anyagnak az antianyaggal szembeni túlsúlyához vezethetnek, még ott is, ahol eredetileg nem volt anyag. Három vezető lehetőség van arra, hogyan alakulhatott ki az anyagnak az antianyaggal szembeni többlete:

  • Az elektrogyengébb skálán az új fizika nagymértékben fokozhatja a C- és CP-sértés mennyiségét az Univerzumban, ami az anyag és az antianyag közötti aszimmetriához vezethet. A B-t és L-t külön-külön sértő (de a B – L-t megőrző) szférikus kölcsönhatások ezután megfelelő mennyiségű bariont és leptonokat hozhatnak létre. Ez szuperszimmetria nélkül vagy szuperszimmetriával is bekövetkezhet, a mechanizmustól függően.
  • Az új neutrínófizika nagy energiákon, amire óriási rálátásunk van, már korán létrehozhat egy alapvető lepton-aszimmetriát: a leptogenezist. A szfaleronok, amelyek megőrzik a B – L-t, aztán ezt a lepton-aszimmetriát használnák fel egy barion-aszimmetria létrehozására.
  • Vagy GUT-skálájú baryogenezis, ahol új fizika (és új részecskék) jönnek létre a nagy egyesülési skálán, ahol az elektrogyenge erő egyesül az erős erővel.

Ezekben a forgatókönyvekben van néhány közös elem, ezért csak példaként járjuk végig az utolsót, hogy lássuk, mi történhetett volna.

Az Univerzum többi részecskéjén kívül, ha a Nagy Egyesített Elmélet gondolata érvényesül… a mi Univerzumunkra, akkor további szupernehéz bozonok, X és Y részecskék, valamint antirészecskéik jelennek meg a megfelelő töltéseikkel együtt a korai Univerzum más részecskéinek forró tengerében.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Ha a nagy egyesítés igaz, akkor új, X és Y nevű szupernehéz részecskéknek kellene létezniük, amelyek barion- és lepton-szerű tulajdonságokkal egyaránt rendelkeznek. Lenniük kellene antianyag megfelelőiknek is: anti-X és anti-Y, ellentétes B – L számmal és ellentétes töltéssel, de azonos tömeggel és élettartammal. Ezek a részecske-antirészecske párok elég nagy energiáknál nagy mennyiségben hozhatók létre, majd a későbbiekben elbomlanak.

Az Univerzumotok tehát tele lehet velük, majd elbomlanak. Ha azonban van C- és CP-sértés, akkor lehetséges, hogy a részecskék és antirészecskék (X/Y vs. anti-X/anti-Y) bomlása között kis különbségek vannak.

Ha megengedjük, hogy az X és Y részecskék a bemutatott kvark és lepton kombinációkra bomoljanak, akkor az… antirészecske megfelelőik a megfelelő antirészecske kombinációkra fognak bomlani. De ha a CP-t megsértjük, akkor a bomlási utak – vagy az egyik módon bomló részecskék aránya a másikhoz képest – eltérőek lehetnek az X és Y részecskék esetében az anti-X és anti-Y részecskékhez képest, ami a barionok nettó termelését eredményezi az antibarionokkal szemben, és a leptonokét az antileptonokkal szemben.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Ha az X-részecskének két útja van: két up kvarkká vagy egy anti-down kvarkká és egy pozitronra bomlik, akkor az anti-X-nek két megfelelő útja kell, hogy legyen: két anti-up kvark vagy egy down kvark és egy elektron. Vegyük észre, hogy az X-nek mindkét esetben kétharmados B – L értéke van, míg az anti-X negatív kétharmados. Hasonló a helyzet az Y/anti-Y részecskék esetében is. De van egy fontos különbség, ami a C- és CP-sértéssel megengedett: az X nagyobb valószínűséggel bomolhat két up kvarkra, mint az anti-X két anti-up kvarkra, míg az anti-X nagyobb valószínűséggel bomolhat egy down kvarkra és egy elektronra, mint az X egy anti-down kvarkra és egy pozitronra.

Ha elég X/anti-X és Y/anti-Y párod van, és ezek ilyen megengedett módon bomlanak, akkor könnyen létrehozhatsz többlet bariont az antibarionokhoz képest (és leptonokat az anti-leptonokhoz képest) ott, ahol korábban nem volt.

Ha a részecskék a fent leírt mechanizmus szerint bomlanának el, akkor az összes instabil, szupernehéz részecske elbomlása után megmaradna a… kvarkok többlete az antikvarkokhoz képest (és leptonoké az antileptonokhoz képest). Miután a felesleges részecske-antirészecske párok annihilálódtak (szaggatott piros vonalakkal illesztve), többlet maradna fel-le kvarkokból, amelyek a protonokat és neutronokat fel-le, illetve fel-le kombinációkban alkotják, valamint elektronokból, amelyek számukban megegyeznek a protonokkal.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Más szóval, indulhatunk egy teljesen szimmetrikus Univerzummal, amely engedelmeskedik a fizika minden ismert törvényének, és amely spontán módon csak egyenlő és ellentétes párokban hoz létre anyagot és antianyagot, és a végén az anyag túlsúlyban van az antianyaggal szemben. Több lehetséges út vezethet a sikerhez, de nagyon valószínű, hogy a természetnek csak az egyikre volt szüksége ahhoz, hogy a mi Univerzumunkat adja.

A tény, hogy létezünk és anyagból vagyunk, vitathatatlan; arra a kérdésre, hogy a mi Univerzumunk miért tartalmaz valamit (anyagot) a semmi helyett (az anyag és az antianyag egyenlő arányú keveredéséből), választ kell találnunk. Ebben az évszázadban a precíziós elektrogyenge vizsgálatok, az ütköztető technológia és a Standard Modellen túli részecskefizikát vizsgáló kísérletek fejlődése pontosan feltárhatja, hogyan történt ez. És amikor ez megtörténik, az egész létezés egyik legnagyobb rejtélye végre megoldást kap.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.