Site Overlay

Cum a apărut din nimic materia din universul nostru?

La toate scările din Univers, de la vecinătatea noastră locală la mediul interstelar, la galaxiile individuale… la roiurile de galaxii, la roiurile de galaxii, la filamente și la marea rețea cosmică, tot ceea ce observăm pare a fi alcătuit din materie normală și nu din antimaterie. Acesta este un mister inexplicabil.

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

Când privești la imensitatea Universului, la planete, stele, galaxii și la tot ce există acolo, o întrebare evidentă strigă după o explicație: de ce există ceva în loc de nimic? Problema devine și mai gravă atunci când luați în considerare legile fizicii care guvernează Universul nostru, care par a fi complet simetrice între materie și antimaterie. Cu toate acestea, când ne uităm la ceea ce se află acolo, constatăm că toate stelele și galaxiile pe care le vedem sunt alcătuite 100% din materie, cu foarte puțină antimaterie. În mod clar, noi existăm, la fel ca și stelele și galaxiile pe care le vedem, deci ceva trebuie să fi creat mai multă materie decât antimaterie, făcând posibil Universul pe care îl cunoaștem. Dar cum s-a întâmplat acest lucru? Este unul dintre cele mai mari mistere ale Universului, dar unul pe care suntem mai aproape ca niciodată de a-l rezolva.

Contenutul de materie și energie din Univers în prezent (stânga) și în perioadele anterioare… (dreapta). Observați prezența energiei întunecate, a materiei întunecate și prevalența materiei normale asupra antimateriei, care este atât de infimă încât nu contribuie la niciunul dintre momentele prezentate.

NASA, modificat de utilizatorul Wikimedia Commons 老陳, modificat în continuare de E. Siegel

Considerați aceste două fapte despre Univers și cât de contradictorii sunt ele:

  1. Toată interacțiunea dintre particule pe care am observat-o vreodată, la toate energiile, nu a creat sau distrus niciodată o singură particulă de materie fără să creeze sau să distrugă și un număr egal de particule de antimaterie.
  2. Când ne uităm la Univers, la toate stelele, galaxiile, norii de gaz, clusterele, superclusterele și structurile la scară mare de pretutindeni, totul pare a fi făcut din materie și nu din antimaterie.

Pare a fi o imposibilitate. Pe de o parte, nu există nicio modalitate cunoscută, având în vedere particulele și interacțiunile lor în Univers, de a face mai multă materie decât antimaterie. Pe de altă parte, tot ceea ce vedem este cu siguranță făcut din materie și nu din antimaterie. Iată de unde știm.

Producția de perechi materie/antimaterie (stânga) din energie pură este o reacție complet reversibilă… (dreapta), materia/antimateria anihilându-se înapoi în energie pură. Acest proces de creare și anihilare, care se supune lui E = mc^2, este singura modalitate cunoscută de a crea și distruge materie sau antimaterie.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

Oriunde și oricând antimateria și materia se întâlnesc în Univers, are loc o explozie fantastică de energie datorată anihilării particulelor-antiparticule. De fapt, observăm această anihilare în unele locuri, dar numai în jurul surselor hiper-energetice care produc materie și antimaterie în cantități egale, cum ar fi în jurul găurilor negre masive. Atunci când antimateria intră în contact cu materia din Univers, aceasta produce raze gamma de frecvențe foarte specifice, pe care le putem detecta. Mediul interstelar și intergalactic este plin de materie, iar lipsa completă a acestor raze gamma este un semnal puternic că nu există cantități mari de particule de antimaterie care zboară pe undeva, deoarece acea semnătură materie/antimaterie ar apărea.

Chiar dacă în roiuri, galaxii, în propriul nostru cartier stelar sau în sistemul nostru solar, avem limite extraordinare,… puternice în ceea ce privește fracțiunea de antimaterie din Univers. Nu poate exista nicio îndoială: totul în Univers este dominat de materie.

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

În mediul interstelar al propriei noastre galaxii, durata medie de viață ar fi de ordinul a aproximativ 300 de ani, ceea ce este infim în comparație cu vârsta galaxiei noastre! Această constrângere ne spune că, cel puțin în interiorul Căii Lactee, cantitatea de antimaterie care este permisă să fie amestecată cu materia pe care o observăm este de cel mult 1 parte la 1.000.000.000.000.000.000.000! La scări mai mari – ale galaxiilor și ale roiurilor de galaxii, de exemplu – constrângerile sunt mai puțin stricte, dar totuși foarte puternice. Cu observații care se întind de la o distanță de doar câteva milioane de ani-lumină până la peste trei miliarde de ani-lumină, am observat o penurie de raze X și raze gamma la care ne-am aștepta de la anihilarea materie-antimaterie. Ceea ce am văzut este că, chiar și la scări cosmologice mari, 99,999%+ din ceea ce există în Universul nostru este cu siguranță materie (ca noi) și nu antimaterie.

Aceasta este nebuloasa de reflexie IC 2631, așa cum a fost imaginată de telescopul MPG/ESO de 2,2 m. Fie în interiorul… propriei noastre galaxii, fie între galaxii, pur și simplu nu există nicio dovadă a semnăturilor de raze gamma care ar trebui să existe dacă ar exista buzunare, stele sau galaxii semnificative făcute din antimaterie.

ESO

Deci, cumva, chiar dacă nu suntem pe deplin siguri cum, trebuie să fi creat mai multă materie decât antimaterie în trecutul Universului. Ceea ce este făcut și mai confuz de faptul că simetria dintre materie și antimaterie, din punct de vedere al fizicii particulelor, este chiar mai explicită decât ați putea crede. De exemplu:

  • de fiecare dată când creăm un quarc, creăm și un antiquarc,
  • de fiecare dată când se distruge un quarc, se distruge și un antiquarc,
  • de fiecare dată când creăm sau distrugem un lepton, creăm sau distrugem și un antilepton din aceeași familie de leptoni, și
  • de fiecare dată când un quarc sau un lepton suferă o interacțiune, o coliziune sau o dezintegrare, numărul total net de quarci și leptoni la sfârșitul reacției (quarci minus antiquarci, leptoni minus antileptoni) este același la sfârșit ca și la început.

Singurul mod în care am făcut vreodată mai multă (sau mai puțină) materie în Univers a fost acela de a face și mai multă (sau mai puțină) antimaterie într-o cantitate egală.

Particulele și antiparticulele din Modelul Standard se supun la tot felul de legi de conservare, dar acolo…. există mici diferențe între comportamentul anumitor perechi de particule/antiparticule care pot fi indicii ale originii bariogenezei.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Dar știm că trebuie să fie posibil; singura întrebare este cum s-a întâmplat. La sfârșitul anilor 1960, fizicianul Andrei Saharov a identificat trei condiții necesare pentru bariogeneză, sau crearea unui număr mai mare de barioni (protoni și neutroni) decât de antibarioni. Acestea sunt următoarele:

  1. Universul trebuie să fie un sistem în afara echilibrului.
  2. Trebuie să prezinte violarea C și CP.
  3. Trebuie să existe interacțiuni care violează numărul de barioni.

Prima dintre ele este ușoară, deoarece un Univers în expansiune, care se răcește, cu particule instabile (și/sau antiparticule) în el este, prin definiție, în afara echilibrului. Cea de-a doua este și ea ușoară, deoarece simetria „C” (înlocuirea particulelor cu antiparticule) și simetria „CP” (înlocuirea particulelor cu antiparticule reflectate în oglindă) sunt ambele încălcate în interacțiunile slabe.

Un mezon normal se rotește în sens invers acelor de ceasornic în jurul polului său nord și apoi se dezintegrează cu un electron care este… emis pe direcția polului nord. Aplicarea simetriei C înlocuiește particulele cu antiparticule, ceea ce înseamnă că ar trebui să avem un antimeson care se rotește în sens invers acelor de ceasornic în jurul polului său nord se dezintegrează prin emiterea unui pozitron pe direcția nord. În mod similar, simetria P răstoarnă ceea ce vedem într-o oglindă. Dacă particulele și antiparticulele nu se comportă exact la fel în cadrul simetriilor C, P sau CP, se spune că acea simetrie este încălcată. Până în prezent, doar interacțiunea slabă încalcă vreuna dintre cele trei.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Rămâne întrebarea cum se poate încălca numărul de barioni. În modelul standard al fizicii particulelor, în ciuda conservării observate a numărului de barioni, nu există o lege de conservare explicită nici pentru acesta, nici pentru numărul leptonilor (unde un lepton este o particulă precum un electron sau un neutrino). În schimb, se conservă doar diferența dintre barioni și leptoni, B – L. Deci, în circumstanțele potrivite, nu numai că puteți produce protoni în plus, dar puteți produce și electronii de care aveți nevoie pentru a-i însoți.

Care sunt aceste circumstanțe este încă un mister, totuși. În stadiile incipiente ale Universului, ne așteptăm pe deplin să existe cantități egale de materie și antimaterie, cu viteze și energii foarte mari.

La temperaturile ridicate atinse în Universul foarte tânăr, nu numai că particulele și fotonii pot fi… create spontan, dacă primesc suficientă energie, ci și antiparticule și particule instabile, rezultând o supă primordială de particule și antiparticule.

Brookhaven National Laboratory

Pe măsură ce Universul se extinde și se răcește, particulele instabile, odată create în mare abundență, se vor descompune. Dacă sunt întrunite condițiile potrivite, acestea pot duce la un exces de materie față de antimaterie, chiar și acolo unde nu a existat inițial. Există trei posibilități principale pentru modul în care ar fi putut apărea acest exces de materie față de antimaterie:

  • Fizica nouă la scara electro- slaba ar putea spori foarte mult cantitatea de violare C- și CP- în Univers, conducând la o asimetrie între materie și antimaterie. Interacțiunile sphaleron, care încalcă B și L în mod individual (dar conservă B – L) pot genera apoi cantitățile potrivite de barioni și leptoni. Acest lucru ar putea avea loc fie fără supersimetrie, fie cu supersimetrie, în funcție de mecanism.
  • Noua fizică a neutrinilor la energii înalte, despre care avem un indiciu extraordinar, ar putea crea din timp o asimetrie leptonică fundamentală: leptogeneza. Sferonii, care conservă B – L, ar folosi apoi această asimetrie leptonică pentru a genera o asimetrie barionică.
  • Ou barogeneza la scara GUT, în care se descoperă că există o nouă fizică (și noi particule) la scara marii unificări, unde forța electro- slabă se unifică cu forța puternică.

Aceste scenarii au toate câteva elemente în comun, așa că haideți să îl parcurgem pe ultimul, doar ca exemplu, pentru a vedea ce s-ar fi putut întâmpla.

În plus față de celelalte particule din Univers, dacă ideea unei Mari Teorii Unificate se aplică la… Universul nostru, vor exista bosoni supra-ponderali suplimentari, particule X și Y, împreună cu antiparticulele lor, prezentate cu sarcinile lor corespunzătoare în mijlocul mării fierbinți de alte particule din Universul timpuriu.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Dacă marea unificare este adevărată, atunci ar trebui să existe noi particule super-ponderale, numite X și Y, care au atât proprietăți asemănătoare cu cele ale barionilor, cât și cu cele ale leptonilor. Ar trebui să existe, de asemenea, omologii lor de antimaterie: anti-X și anti-Y, cu numere B – L opuse și sarcini opuse, dar cu aceeași masă și durată de viață. Aceste perechi de particule-antiparticule pot fi create în mare abundență la energii suficient de mari, iar apoi se vor dezintegra în momente ulterioare.

Așa că Universul vostru se poate umple cu ele, iar apoi se vor dezintegra. Totuși, dacă aveți o violare C și CP, atunci este posibil să existe mici diferențe între modul în care particulele și antiparticulele (X/Y vs. anti-X/anti-Y) se dezintegrează.

Dacă permitem particulelor X și Y să se dezintegreze în combinațiile de quarci și leptoni prezentate, omologii lor… antiparticule se vor dezintegra în combinațiile respective de antiparticule. Dar dacă CP este încălcat, căile de dezintegrare – sau procentul de particule care se dezintegrează într-un fel față de altul – pot fi diferite pentru particulele X și Y în comparație cu particulele anti-X și anti-Y, ceea ce duce la o producție netă de barioni față de antibarioni și de leptoni față de antileptoni.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Dacă particula X are două căi: dezintegrarea în doi quarci up sau un quarc anti-down și un pozitron, atunci anti-X trebuie să aibă două căi corespunzătoare: doi quarci anti-up sau un quarc down și un electron. Observați că X are B – L de două treimi în ambele cazuri, în timp ce anti-X are două treimi negative. Situația este similară pentru particulele Y/anti-Y. Dar există o diferență importantă care este permisă prin violarea C- și CP: X ar putea avea mai multe șanse să se dezintegreze în doi quarci up decât anti-X să se dezintegreze în doi quarci anti-up, în timp ce anti-X ar putea avea mai multe șanse să se dezintegreze într-un quarc down și un electron decât X să se dezintegreze într-un quarc antidown și un pozitron.

Dacă aveți destule perechi X/anti-X și Y/anti-Y, iar acestea se dezintegrează în acest mod permis, puteți crea cu ușurință un exces de barioni față de antibarioni (și leptoni față de antileptoni) acolo unde nu existau anterior.

Dacă particulele se dezintegrează conform mecanismului descris mai sus, am rămâne cu un… exces de quarci peste antiquarci (și de leptoni peste antileptoni) după ce toate particulele instabile, super-ponderale, s-au dezintegrat. După ce perechile de particule-antiparticule în exces s-au anihilat (aliniate cu linii roșii punctate), am rămâne cu un exces de quarci up-and-down, care compun protonii și neutronii în combinații de up-up-down și, respectiv, up-down-down, și electroni, care vor fi la fel de numeroși ca protonii.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Cu alte cuvinte, puteți începe cu un Univers complet simetric, unul care respectă toate legile cunoscute ale fizicii și care creează spontan materie și antimaterie doar în perechi egale și opuse, și să vă treziți în final cu un exces de materie față de antimaterie. Avem mai multe căi posibile de succes, dar este foarte probabil ca natura să fi avut nevoie doar de una dintre ele pentru a ne oferi Universul nostru.

Faptul că existăm și că suntem făcuți din materie este incontestabil; întrebarea de ce Universul nostru conține ceva (materie) în loc de nimic (dintr-un amestec egal de materie și antimaterie) este una care trebuie să aibă un răspuns. În acest secol, progresele înregistrate în testarea de precizie a electrodezvoltării slabe, în tehnologia coliziunilor și în experimentele care sondează fizica particulelor dincolo de Modelul Standard ar putea dezvălui exact cum s-a întâmplat. Iar când se va întâmpla acest lucru, unul dintre cele mai mari mistere din întreaga existență va avea în sfârșit o soluție.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.