Site Overlay

Jak materia w naszym Wszechświecie powstała z niczego?

We wszystkich skalach Wszechświata, od naszego lokalnego sąsiedztwa do ośrodka międzygwiezdnego do pojedynczych… galaktyk do gromad do włókien i wielkiej kosmicznej sieci, wszystko co obserwujemy wydaje się być zbudowane z normalnej materii, a nie antymaterii. Jest to niewyjaśniona zagadka.

NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Gdy patrzysz na ogrom Wszechświata, na planety, gwiazdy, galaktyki i wszystko, co tam jest, jedno oczywiste pytanie krzyczy o wyjaśnienie: dlaczego jest tam coś zamiast niczego? Problem staje się jeszcze gorszy, gdy weźmiemy pod uwagę prawa fizyki rządzące naszym Wszechświatem, które wydają się być całkowicie symetryczne pomiędzy materią i antymaterią. A jednak, gdy przyjrzymy się temu, co tam jest, zauważymy, że wszystkie gwiazdy i galaktyki, które widzimy, składają się w 100% z materii, z rzadka tylko z antymaterii. Najwyraźniej istniejemy, podobnie jak gwiazdy i galaktyki, które widzimy, więc coś musiało stworzyć więcej materii niż antymaterii, dzięki czemu znany nam Wszechświat stał się możliwy. Ale jak to się stało? To jedna z największych tajemnic Wszechświata, ale taka, do której rozwiązania jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek.

Zawartość materii i energii we Wszechświecie w chwili obecnej (po lewej) i w czasach wcześniejszych… (po prawej). Zwróć uwagę na obecność ciemnej energii, ciemnej materii i przewagę normalnej materii nad antymaterią, która jest tak znikoma, że nie wnosi wkładu w żadnym z pokazanych czasów.

NASA, zmodyfikowane przez użytkownika Wikimedia Commons 老陳, zmodyfikowane dalej przez E. Siegel

Rozważ te dwa fakty o Wszechświecie, i jak bardzo są one sprzeczne:

  1. Każde oddziaływanie między cząstkami, jakie kiedykolwiek zaobserwowaliśmy, przy wszystkich energiach, nigdy nie stworzyło lub zniszczyło pojedynczej cząstki materii bez jednoczesnego stworzenia lub zniszczenia równej liczby cząstek antymaterii.
  2. Gdy patrzymy na Wszechświat, na wszystkie gwiazdy, galaktyki, obłoki gazu, gromady, supergromady i struktury o największej skali wszędzie, wszystko wydaje się być zrobione z materii, a nie z antymaterii.

Wydaje się to niemożliwością. Z jednej strony, nie ma znanego sposobu, biorąc pod uwagę cząstki i ich oddziaływania we Wszechświecie, aby wytworzyć więcej materii niż antymaterii. Z drugiej strony, wszystko co widzimy jest zdecydowanie zbudowane z materii, a nie antymaterii. Oto skąd to wiemy.

Produkcja par materia/antymateria (po lewej) z czystej energii jest całkowicie odwracalną… reakcją (po prawej), w której materia/antymateria anihiluje z powrotem do czystej energii. Ten proces tworzenia i anihilacji, zgodny z E = mc^2, jest jedynym znanym sposobem tworzenia i niszczenia materii lub antymaterii.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

Gdziekolwiek i gdziekolwiek antymateria i materia spotykają się we Wszechświecie, następuje fantastyczny wybuch energii spowodowany anihilacją cząstka-antycząstka. W rzeczywistości obserwujemy tę anihilację w niektórych miejscach, ale tylko wokół hiperenergetycznych źródeł, które produkują materię i antymaterię w równych ilościach, jak na przykład wokół masywnych czarnych dziur. Kiedy antymateria natrafia na materię we Wszechświecie, wytwarza promienie gamma o bardzo specyficznych częstotliwościach, które możemy wykryć. Medium międzygwiazdowe i międzygalaktyczne jest pełne materii, a całkowity brak tych promieni gamma jest silnym sygnałem, że nigdzie nie latają duże ilości cząstek antymaterii, ponieważ pojawiłaby się sygnatura materii/antymaterii.

Czy to w gromadach, galaktykach, w naszym własnym sąsiedztwie gwiazdowym, czy w naszym Układzie Słonecznym, mamy ogromne,… potężne ograniczenia dotyczące frakcji antymaterii we Wszechświecie. Nie może być wątpliwości: wszystko we Wszechświecie jest zdominowane przez materię.

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

W ośrodku międzygwiazdowym naszej własnej galaktyki, średni czas życia byłby rzędu około 300 lat, co jest maleńkie w porównaniu z wiekiem naszej galaktyki! To ograniczenie mówi nam, że, przynajmniej w obrębie Drogi Mlecznej, ilość antymaterii, która może zmieszać się z materią, którą obserwujemy, wynosi co najwyżej 1 część na 1 000 000 000 000 000 000! W większych skalach – na przykład w galaktykach i gromadach galaktyk – ograniczenia są mniej rygorystyczne, ale nadal bardzo silne. Obserwacje prowadzone w odległości od kilku milionów lat świetlnych do ponad trzech miliardów lat świetlnych wykazały brak promieniowania rentgenowskiego i gamma, którego spodziewalibyśmy się po anihilacji materii i antymaterii. Zobaczyliśmy, że nawet w dużych, kosmologicznych skalach, 99,999%+ tego, co istnieje w naszym Wszechświecie, to zdecydowanie materia (taka jak my), a nie antymateria.

Oto mgławica refleksyjna IC 2631, zobrazowana przez 2,2-m teleskop MPG/ESO. Czy to w naszej… własnej galaktyce, czy pomiędzy galaktykami, po prostu nie ma dowodów na istnienie sygnatur promieniowania gamma, które musiałyby istnieć, gdyby istniały znaczące kieszenie, gwiazdy lub galaktyki wykonane z antymaterii.

ESO

Więc w jakiś sposób, choć nie jesteśmy do końca pewni jak, musieliśmy stworzyć więcej materii niż antymaterii w przeszłości Wszechświata. Co jest jeszcze bardziej zagmatwane przez fakt, że symetria między materią i antymaterią, w kategoriach fizyki cząstek, jest jeszcze bardziej wyraźna, niż mogłoby się wydawać. Na przykład:

  • za każdym razem, gdy tworzymy kwark, tworzymy również antykwark,
  • za każdym razem, gdy kwark jest niszczony, antykwark jest również niszczony,
  • za każdym razem, gdy tworzymy-lub-niszczymy lepton, tworzymy również-lub-niszczymy antylepton z tej samej rodziny leptonów, i
  • za każdym razem, gdy kwark lub lepton doświadcza oddziaływania, zderzenia lub rozpadu, całkowita liczba netto kwarków i leptonów na końcu reakcji (kwarki minus antykwarki, leptony minus antyleptony) jest taka sama na końcu, jak na początku.

Jedyny sposób, w jaki kiedykolwiek wytworzyliśmy więcej (lub mniej) materii we Wszechświecie, to wytworzenie więcej (lub mniej) antymaterii w równej ilości.

Cząstki i antycząstki Modelu Standardowego są posłuszne wszelkim prawom zachowania, ale istnieją…. są niewielkie różnice w zachowaniu niektórych par cząstek i antycząstek, które mogą wskazywać na pochodzenie bariogenezy.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Wiemy jednak, że musi to być możliwe; pozostaje tylko pytanie, jak do tego doszło. Pod koniec lat 60. fizyk Andriej Sacharow zidentyfikował trzy warunki konieczne do przeprowadzenia bariogenezy, czyli stworzenia większej liczby barionów (protonów i neutronów) niż antybarionów. Są one następujące:

  1. Wszechświat musi być układem poza równowagą.
  2. Musi wykazywać naruszenie C- i CP.
  3. Muszą istnieć oddziaływania naruszające liczbę barionową.

Pierwszy z nich jest łatwy, ponieważ rozszerzający się, stygnący Wszechświat z niestabilnymi cząstkami (i/lub antycząstkami) jest z definicji poza równowagą. Drugie też jest łatwe, ponieważ symetria „C” (zastępowanie cząstek antycząstkami) i symetria „CP” (zastępowanie cząstek antycząstkami odbitymi w lustrze) są naruszone w oddziaływaniach słabych.

Normalny mezon wiruje przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół swojego bieguna północnego, a następnie rozpada się z elektronem emitowanym… wzdłuż kierunku bieguna północnego. Zastosowanie symetrii C zamienia cząstki na antycząstki, co oznacza, że powinniśmy mieć antymezon wirujący przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół swojego bieguna północnego rozpadający się poprzez emisję pozytonu w kierunku północnym. Podobnie, P-symetria odwraca to, co widzimy w lustrze. Jeżeli cząstki i antycząstki nie zachowują się dokładnie tak samo w symetrii C, P lub CP, to mówi się, że symetria ta jest naruszona. Jak dotąd tylko oddziaływanie słabe narusza którąkolwiek z tych trzech symetrii.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Pozostaje pytanie, jak naruszyć liczbę barionową. W Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, pomimo obserwowanego zachowania liczby barionowej, nie ma wyraźnego prawa zachowania ani tej liczby, ani liczby leptonowej (gdzie lepton jest cząstką taką jak elektron lub neutrino). Konserwowana jest jedynie różnica pomiędzy barionami i leptonami, B – L. W odpowiednich okolicznościach można więc zachować liczbę barionów i leptonów. Tak więc w odpowiednich okolicznościach, możesz nie tylko stworzyć dodatkowe protony, ale także elektrony, które są potrzebne do nich.

Jakie to okoliczności są nadal tajemnicą, jednakże. We wczesnych stadiach Wszechświata, w pełni oczekujemy istnienia równych ilości materii i antymaterii, o bardzo dużych prędkościach i energiach.

W wysokich temperaturach osiąganych w bardzo młodym Wszechświecie, nie tylko cząstki i fotony mogą być… ale także antycząstki i cząstki niestabilne, w wyniku czego powstaje pierwotna zupa cząstek i antycząstek.

Brookhaven National Laboratory

W miarę rozszerzania się i ochładzania Wszechświata, niestabilne cząstki, raz utworzone w wielkiej obfitości, rozpadają się. Jeśli spełnione zostaną odpowiednie warunki, mogą one doprowadzić do nadwyżki materii nad antymaterią, nawet tam, gdzie początkowo jej nie było.

  • Nowa fizyka w skali elektrosłabej może znacznie zwiększyć ilość naruszeń C i CP we Wszechświecie, prowadząc do asymetrii między materią i antymaterią. Oddziaływania sfaleronów, które naruszają indywidualnie B i L (ale zachowują B – L) mogą wtedy generować odpowiednie ilości barionów i leptonów. Mogłoby to nastąpić albo bez supersymetrii, albo z supersymetrią, w zależności od mechanizmu.
  • Nowa fizyka neutrin przy wysokich energiach, o której mamy ogromną wiedzę, mogłaby stworzyć fundamentalną asymetrię leptonową już na wczesnym etapie: leptogeneza. Sfalerony, które zachowują B – L, użyłyby tej leptonowej asymetrii do wygenerowania asymetrii barionowej.
  • Albo bariogeneza w skali GUT, gdzie nowa fizyka (i nowe cząstki) istnieją w skali wielkiej unifikacji, gdzie siła elektrosłaba jednoczy się z siłą silną.

Te scenariusze mają pewne elementy wspólne, więc przejdźmy przez ostatni z nich, tylko jako przykład, aby zobaczyć, co mogło się wydarzyć.

Oprócz innych cząstek we Wszechświecie, jeśli idea Wielkiej Teorii Jednolitej odnosi się do… naszego Wszechświata, pojawią się dodatkowe superciężkie bozony, cząstki X i Y, wraz z ich antycząstkami, pokazane z odpowiednimi ładunkami pośród gorącego morza innych cząstek we wczesnym Wszechświecie.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Jeśli wielka unifikacja jest prawdziwa, to powinny istnieć nowe, superciężkie cząstki, zwane X i Y, które mają własności zarówno barionowe, jak i leptonowe. Powinny też istnieć ich odpowiedniki z antymaterii: anty-X i anty-Y, o przeciwnych liczbach B-L i przeciwnych ładunkach, ale tej samej masie i czasie życia. Te pary cząstka-antycząstka mogą być tworzone w dużych ilościach przy wystarczająco wysokich energiach, a następnie rozpadną się w późniejszym czasie.

Więc twój Wszechświat może być nimi wypełniony, a następnie rozpadną się. Jeśli jednak mamy do czynienia z naruszeniem C i CP, to możliwe, że istnieją niewielkie różnice między sposobem rozpadu cząstek i antycząstek (X/Y vs. anty-X/anti-Y).

Jeśli pozwolimy cząstkom X i Y rozpadać się na przedstawione kombinacje kwarków i leptonów, to ich… antycząstkowe odpowiedniki rozpadną się na odpowiednie kombinacje antycząstek. Ale jeśli CP jest naruszone, ścieżki rozpadu – lub procent cząstek rozpadających się w ten czy inny sposób – mogą być różne dla cząstek X i Y w porównaniu z cząstkami anty-X i anty-Y, co skutkuje produkcją netto barionów w stosunku do antybarionów i leptonów w stosunku do antyleptonów.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Jeśli cząstka X ma dwie drogi rozpadu: na dwa kwarki górne lub antykwarki dolne i pozyton, to anty-X musi mieć dwie odpowiadające jej drogi rozpadu: dwa kwarki górne lub kwarki dolne i elektron. Zauważmy, że w obu przypadkach X ma B – L równe dwie trzecie, podczas gdy anty-X ma ujemne dwie trzecie. Podobnie jest z cząstkami Y/anty-Y. Ale jest jedna ważna różnica, która jest dopuszczalna przy naruszeniu C i CP: X może być bardziej skłonny do rozpadu na dwa kwarki górne niż anty-X do rozpadu na dwa kwarki anty-górne, a anty-X może być bardziej skłonny do rozpadu na kwark dolny i elektron niż X do rozpadu na anty-kwarki dolne i pozyton.

Jeśli masz wystarczająco dużo par X/anti-X i Y/anti-Y, i rozpadają się one w ten dozwolony sposób, możesz łatwo stworzyć nadmiar barionów nad antybarionami (i leptonów nad antyleptonami) tam, gdzie wcześniej ich nie było.

Gdyby cząstki rozpadały się zgodnie z opisanym wyżej mechanizmem, to po rozpadnięciu się wszystkich niestabilnych, superciężkich cząstek pozostałby nam… nadmiar kwarków nad antykwarkami (i leptonów nad antyleptonami). Po anihilacji nadmiaru par cząstka-antycząstka (zaznaczonych czerwonymi przerywanymi liniami) pozostałby nadmiar kwarków góra-dół, które tworzą protony i neutrony w kombinacjach odpowiednio góra-dół i góra-dół, oraz elektronów, których liczba dorówna liczbie protonów.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Innymi słowy, można zacząć od całkowicie symetrycznego Wszechświata, takiego, który przestrzega wszystkich znanych praw fizyki i który spontanicznie tworzy materię i antymaterię tylko w równych i przeciwnych parach, i skończyć z nadmiarem materii nad antymaterią na końcu. Mamy wiele możliwych ścieżek do sukcesu, ale jest bardzo prawdopodobne, że natura potrzebowała tylko jednej z nich, aby dać nam nasz Wszechświat.

Fakt, że istniejemy i jesteśmy zbudowani z materii jest niepodważalny; pytanie, dlaczego nasz Wszechświat zawiera coś (materię) zamiast niczego (z równej mieszanki materii i antymaterii) jest pytaniem, które musi mieć odpowiedź. W tym stuleciu postępy w precyzyjnych badaniach oddziaływań elektrosłabych, technologia zderzeń i eksperymenty badające fizykę cząstek elementarnych wykraczającą poza Model Standardowy mogą ujawnić, jak to się stało. A kiedy tak się stanie, jedna z największych tajemnic w całym istnieniu znajdzie wreszcie rozwiązanie.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.