Site Overlay

Hoe is de materie in ons heelal uit het niets ontstaan?

Op alle schalen in het heelal, van onze lokale omgeving tot het interstellaire medium tot individuele… sterrenstelsels tot clusters tot filamenten en het grote kosmische web, lijkt alles wat we waarnemen te zijn gemaakt van normale materie en niet van antimaterie. Dit is een onverklaarbaar mysterie.

NASA, ESA, en het Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Als je naar de uitgestrektheid van het heelal kijkt, naar de planeten, sterren, sterrenstelsels, en alles wat daarbuiten is, schreeuwt een voor de hand liggende vraag om een verklaring: waarom is er iets in plaats van niets? Het probleem wordt nog groter als je kijkt naar de natuurkundige wetten van ons heelal, die volledig symmetrisch lijken te zijn tussen materie en antimaterie. Maar als we kijken naar wat daarbuiten is, zien we dat alle sterren en melkwegstelsels die we zien voor 100% uit materie bestaan, met nauwelijks antimaterie. Het is duidelijk dat wij bestaan, net als de sterren en sterrenstelsels die we zien, dus iets moet meer materie dan antimaterie hebben gecreëerd, waardoor het heelal dat we kennen mogelijk is geworden. Maar hoe is dat gebeurd? Het is een van de grootste mysteries van het heelal, maar een die we dichter bij de oplossing zijn dan ooit.

De materie en energie-inhoud in het heelal op dit moment (links) en op eerdere tijden… (rechts). Let op de aanwezigheid van donkere energie, donkere materie, en het overwicht van normale materie boven antimaterie, dat zo miniem is dat het op geen van de getoonde tijdstippen bijdraagt.

NASA, bewerkt door Wikimedia Commons gebruiker 老陳, verder bewerkt door E. Siegel

Bedenk deze twee feiten over het heelal, en hoe tegenstrijdig ze zijn:

  1. Elke interactie tussen deeltjes die we ooit hebben waargenomen, bij alle energieën, heeft nooit een enkel materiedeeltje gemaakt of vernietigd zonder ook een gelijk aantal antimateriedeeltjes te maken of te vernietigen.
  2. Als we naar het heelal kijken, naar alle sterren, sterrenstelsels, gaswolken, clusters, superclusters en grootschalige structuren overal, lijkt alles van materie te zijn gemaakt en niet van antimaterie.

Het lijkt een onmogelijkheid. Aan de ene kant is er geen manier bekend, gegeven de deeltjes en hun interacties in het heelal, om meer materie dan antimaterie te maken. Aan de andere kant is alles wat we zien wel degelijk gemaakt van materie en niet van antimaterie. Hier is hoe we dat weten.

De productie van materie/antimaterie paren (links) uit pure energie is een volledig omkeerbare… reactie (rechts), waarbij materie/antimaterie annihileert terug naar pure energie. Dit creatie-en-annihilatie proces, dat E = mc^2 gehoorzaamt, is de enige bekende manier om materie of antimaterie te creeren en te vernietigen.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

Wanneer en waar in het heelal antimaterie en materie elkaar ontmoeten, is er een fantastische uitbarsting van energie als gevolg van deeltjes-antideeltjes annihilatie. We nemen deze annihilatie op sommige plaatsen waar, maar alleen rond hyper-energetische bronnen die materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden produceren, zoals rond enorme zwarte gaten. Wanneer de antimaterie materie in het heelal tegenkomt, produceert zij gammastralen met zeer specifieke frequenties, die wij dan kunnen waarnemen. Het interstellaire en intergalactische medium zit vol materie, en het volledig ontbreken van deze gammastralen is een sterk signaal dat er nergens grote hoeveelheden antimateriedeeltjes rondvliegen, omdat die materie/antimaterie signatuur dan te zien zou zijn.

Of het nu in clusters, sterrenstelsels, onze eigen stellaire omgeving of ons Zonnestelsel is, we hebben enorme,… krachtige grenzen aan de fractie van antimaterie in het Heelal. Er kan geen twijfel over bestaan: alles in het heelal wordt gedomineerd door materie.

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

In het interstellaire medium van ons eigen melkwegstelsel zou de gemiddelde levensduur in de orde van grootte van ongeveer 300 jaar zijn, wat miniem is vergeleken met de leeftijd van ons melkwegstelsel! Deze beperking vertelt ons dat, tenminste binnen de Melkweg, de hoeveelheid antimaterie die vermengd mag zijn met de materie die wij waarnemen hooguit 1 deel op 1.000.000.000.000.000.000 is! Op grotere schalen – van melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels, bijvoorbeeld – zijn de beperkingen minder streng, maar nog steeds zeer sterk. Met waarnemingen op een afstand van slechts een paar miljoen lichtjaar tot meer dan drie miljard lichtjaar hebben we een tekort aan röntgen- en gammastralen waargenomen die we zouden verwachten bij materie-antimaterie-annihilatie. Wat we hebben gezien is dat zelfs op grote, kosmologische schalen, 99,999%+ van wat er bestaat in ons heelal zeker materie is (zoals wij) en geen antimaterie.

Dit is de reflectienevel IC 2631, zoals in beeld gebracht door de MPG/ESO 2,2-m telescoop. Of het nu binnen ons… eigen melkwegstelsel is of tussen melkwegstelsels, er is eenvoudig geen bewijs van de gammastraling signaturen die zouden moeten bestaan als er significante zakken, sterren, of melkwegstelsels van antimaterie zouden zijn.

ESO

Op de een of andere manier, ook al weten we niet helemaal zeker hoe, moeten we dus meer materie dan antimaterie hebben gemaakt in het verleden van het heelal. Wat nog verwarrender wordt door het feit dat de symmetrie tussen materie en antimaterie, in termen van deeltjesfysica, nog explicieter is dan je zou denken. Bijvoorbeeld:

  • elke keer dat we een quark creëren, creëren we ook een antiquark,
  • elke keer dat een quark wordt vernietigd, wordt ook een antiquark vernietigd,
  • elke keer dat we een lepton creëren of vernietigen, creëren of vernietigen we ook een antilepton uit dezelfde lepton familie, en
  • elke keer dat een quark of een lepton een wisselwerking, botsing of verval ondergaat, is het totale netto aantal quarks en leptonen aan het eind van de reactie (quarks min antiquarks, leptonen min antileptonen) aan het eind hetzelfde als aan het begin.

De enige manier waarop we ooit meer (of minder) materie in het heelal hebben gemaakt is door ook meer (of minder) antimaterie te maken in een gelijke hoeveelheid.

De deeltjes en antideeltjes van het Standaard Model gehoorzamen aan allerlei behoudswetten, maar er.. zijn kleine verschillen tussen het gedrag van bepaalde deeltjes/antideeltjes paren die hints kunnen zijn naar de oorsprong van baryogenesis.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Maar we weten dat het mogelijk moet zijn; de enige vraag is hoe het gebeurd is. Aan het eind van de jaren zestig identificeerde de natuurkundige Andrei Sacharov drie voorwaarden die noodzakelijk zijn voor baryogenese, of het ontstaan van meer baryonen (protonen en neutronen) dan anti-baryonen. Deze zijn als volgt:

  1. Het heelal moet een systeem zijn dat uit evenwicht is.
  2. Het moet C- en CP-schendingen vertonen.
  3. Er moeten interacties zijn die het baryonnummer schenden.

Het eerste is gemakkelijk, omdat een uitdijend, afkoelend heelal met instabiele deeltjes (en/of antideeltjes) erin, per definitie uit evenwicht is. De tweede is ook gemakkelijk, omdat “C”-symmetrie (het vervangen van deeltjes door antideeltjes) en “CP”-symmetrie (het vervangen van deeltjes door spiegelbeeldig afgebogen antideeltjes) beide geschonden worden in de zwakke wisselwerkingen.

Een normaal meson draait tegen de klok in rond zijn noordpool en vervalt dan met een elektron dat… uitgestoten wordt in de richting van de noordpool. Toepassing van C-symmetrie vervangt de deeltjes door antideeltjes, wat betekent dat een antimeson dat tegen de wijzers van de klok in rond zijn noordpool draait, vervalt door het uitzenden van een positron in de noordelijke richting. Op dezelfde manier draait P-symmetrie om wat we in een spiegel zien. Als deeltjes en antideeltjes zich niet precies hetzelfde gedragen onder C-, P-, of CP-symmetrieën, wordt gezegd dat die symmetrie geschonden is. Tot nu toe schendt alleen de zwakke wisselwerking één van de drie.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Dat laat de vraag over hoe het baryon getal te schenden. In het Standaard Model van de deeltjesfysica is er, ondanks het waargenomen behoud van het baryon getal, geen expliciete behoudswet voor zowel dat als het lepton getal (waarbij een lepton een deeltje is zoals een elektron of een neutrino). In plaats daarvan is het alleen het verschil tussen baryonen en leptonen, B – L, dat behouden blijft. Dus onder de juiste omstandigheden kun je niet alleen extra protonen maken, maar ook de elektronen die je daarbij nodig hebt.

Wat die omstandigheden zijn is echter nog steeds een mysterie. In de vroege stadia van het heelal verwachten we volledig dat er gelijke hoeveelheden materie en antimaterie bestaan, met zeer hoge snelheden en energieën.

Bij de hoge temperaturen die in het zeer jonge heelal worden bereikt, kunnen niet alleen deeltjes en fotonen… spontaan ontstaan, gegeven voldoende energie, maar ook antideeltjes en instabiele deeltjes, resulterend in een oer-deeltjes-en-antideeltjes soep.

Brookhaven National Laboratory

Als het heelal uitdijt en afkoelt, zullen instabiele deeltjes, die eenmaal in grote overvloed zijn ontstaan, vergaan. Als aan de juiste voorwaarden wordt voldaan, kan dit leiden tot een overmaat van materie boven antimaterie, zelfs waar er aanvankelijk geen was. Er zijn drie belangrijke mogelijkheden voor hoe deze overmaat aan materie boven antimaterie zou kunnen zijn ontstaan:

  • Nieuwe fysica op de electroweak schaal zou de hoeveelheid C- en CP-violaties in het heelal sterk kunnen vergroten, wat leidt tot een asymmetrie tussen materie en antimaterie. Sphaleron interacties, die B en L afzonderlijk schenden (maar B – L behouden) kunnen dan de juiste hoeveelheden baryonen en leptonen genereren. Dit kan gebeuren zonder supersymmetrie of met supersymmetrie, afhankelijk van het mechanisme.
  • Nieuwe neutrino-fysica bij hoge energieën, waarvan we een geweldige hint hebben, zou al vroeg een fundamentele lepton-asymmetrie kunnen creëren: leptogenese. De sphaleronen, die B – L behouden, zouden dan die lepton asymmetrie gebruiken om een baryon asymmetrie te genereren.
  • Of baryogenese op GUT-schaal, waar nieuwe fysica (en nieuwe deeltjes) blijken te bestaan op de grote unificatieschaal, waar de elektrozwakke kracht verenigt met de sterke kracht.

Deze scenario’s hebben allemaal enkele elementen gemeen, dus laten we de laatste eens doorlopen, gewoon als voorbeeld, om te zien wat er gebeurd zou kunnen zijn.

Naast de andere deeltjes in het heelal, als het idee van een Grote Geünificeerde Theorie van toepassing is op… ons heelal, zullen er extra superzware bosonen, X- en Y-deeltjes, samen met hun antideeltjes, te zien zijn met hun bijbehorende ladingen temidden van de hete zee van andere deeltjes in het vroege heelal.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Als de grote eenwording waar is, dan zouden er nieuwe, superzware deeltjes moeten zijn, X en Y genaamd, die zowel baryon-achtige als lepton-achtige eigenschappen hebben. Er zouden ook hun antimaterie tegenhangers moeten zijn: anti-X en anti-Y, met de tegengestelde B – L getallen en de tegengestelde ladingen, maar dezelfde massa en levensduur. Deze deeltjes-antideeltjesparen kunnen in grote overvloed worden geschapen bij energieën die hoog genoeg zijn, en zullen dan op latere tijdstippen vervallen.

Dus je heelal kan er vol mee zitten, en dan zullen ze vervallen. Als je echter C- en CP-schending hebt, dan is het mogelijk dat er kleine verschillen zijn tussen hoe de deeltjes en antideeltjes (X/Y vs. anti-X/anti-Y) vervallen.

Als we toestaan dat X- en Y-deeltjes vervallen in de afgebeelde quarks en lepton-combinaties, dan zullen hun… antideeltjes-tegenhangers vervallen in de respectievelijke antideeltjes-combinaties. Maar als CP geschonden is, kunnen de vervalroutes – of het percentage deeltjes dat op de ene manier vervalt versus de andere manier – verschillend zijn voor de X en Y deeltjes vergeleken met de anti-X en anti-Y deeltjes, resulterend in een netto productie van baryonen boven antaryonen en leptonen boven antileptonen.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Als je X-deeltje twee paden heeft: vervallen in twee up quarks of een anti-down quark en een positron, dan moet de anti-X twee overeenkomstige paden hebben: twee anti-up quarks of een down quark en een elektron. Merk op dat de X in beide gevallen een B – L van tweederde heeft, terwijl de anti-X een negatieve tweederde heeft. Hetzelfde geldt voor de Y/anti-Y deeltjes. Maar er is een belangrijk verschil dat is toegestaan met C- en CP-violatie: de X zou eerder kunnen vervallen in twee opwaartse quarks dan de anti-X in twee anti-opwaartse quarks, terwijl de anti-X eerder zou kunnen vervallen in een neerwaarts quark en een elektron dan de X in een anti-onderwaarts quark en een positron.

Als je genoeg X/anti-X en Y/anti-Y paren hebt, en ze vervallen op deze toegestane manier, dan kun je gemakkelijk een overmaat aan baryonen boven antaryonen maken (en leptonen boven anti-leptonen) waar er voorheen geen was.

Als de deeltjes volgens het hierboven beschreven mechanisme zouden vervallen, zouden we een… overmaat aan quarks boven antiquarks (en leptonen boven antileptonen) overhouden nadat alle onstabiele, superzware deeltjes zijn vervallen. Nadat de overtollige deeltjes-antideeltjesparen zijn geannihileerd (aangegeven met gestippelde rode lijnen), houden we een overvloed over aan op-en-neer quarks, die protonen en neutronen samenstellen in combinaties van op-en-neer en op-en-neer, respectievelijk, en elektronen, die in aantal overeenkomen met de protonen.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Met andere woorden, je kunt beginnen met een volledig symmetrisch heelal, een dat aan alle bekende natuurkundige wetten voldoet en dat spontaan materie en antimaterie alleen creëert in gelijke-en-tegengestelde paren, en uiteindelijk eindigen met een overmaat aan materie boven antimaterie. We hebben meerdere mogelijke wegen naar succes, maar het is zeer waarschijnlijk dat de natuur slechts een van hen nodig had om ons ons Universum te geven.

Het feit dat we bestaan en gemaakt zijn van materie is onbetwistbaar; de vraag waarom ons Universum iets bevat (materie) in plaats van niets (uit een gelijke mix van materie en antimaterie) is er een die een antwoord moet hebben. Deze eeuw kunnen vorderingen op het gebied van precisie-elektrozwakke testen, collidertechnologie en experimenten op het gebied van deeltjesfysica die verder gaan dan het Standaardmodel, onthullen hoe het precies is gebeurd. En als dat gebeurt, zal een van de grootste mysteries in het bestaan eindelijk een oplossing hebben.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.