Site Overlay

Hur uppstod materian i vårt universum från ingenting?

På alla skalor i universum, från vårt lokala grannskap till det interstellära mediet till enskilda galaxer, galaxhopar, filament och den stora kosmiska väven, tycks allt som vi observerar vara tillverkat av normal materia och inte av antimateria. Detta är ett oförklarligt mysterium.

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

När man ser ut över universums vidder, över planeterna, stjärnorna, galaxerna och allt det som finns där ute, finns det en självklar fråga som skriker efter en förklaring: varför finns det något istället för ingenting? Problemet blir ännu värre när man tänker på de fysikaliska lagar som styr vårt universum, som verkar vara helt symmetriska mellan materia och antimateria. Men när vi tittar på vad som finns där ute upptäcker vi att alla stjärnor och galaxer vi ser består till 100 procent av materia, med knappt någon antimateria alls. Det är uppenbart att vi existerar, liksom de stjärnor och galaxer vi ser, så något måste ha skapat mer materia än antimateria, vilket har gjort det universum vi känner till möjligt. Men hur gick det till? Det är ett av universums största mysterier, men ett mysterium som vi är närmare än någonsin att lösa.

Materia- och energiinnehållet i universum vid nuvarande tidpunkt (till vänster) och vid tidigare… (till höger). Notera närvaron av mörk energi, mörk materia och förekomsten av normal materia framför antimateria, som är så liten att den inte bidrar vid någon av de visade tidpunkterna.

NASA, modifierad av Wikimedia Commons-användaren 老陳, ytterligare modifierad av E. Siegel

Betänk dessa två fakta om universum, och hur motsägelsefulla de är:

  1. Varje växelverkan mellan partiklar som vi någonsin har observerat, vid alla energier, har aldrig skapat eller förstört en enda materiepartikel utan att också skapa eller förstöra ett lika stort antal antimateriepartiklar.
  2. När vi tittar ut på universum, på alla stjärnor, galaxer, gasmoln, kluster, superkluster och de största strukturerna överallt, tycks allt vara gjort av materia och inte av antimateria.

Det verkar vara en omöjlighet. Å ena sidan finns det inget känt sätt, med tanke på partiklarna och deras växelverkan i universum, att göra mer materia än antimateria. Å andra sidan är allt vi ser definitivt gjort av materia och inte antimateria. Så här vet vi det.

Produktionen av par av materia/antimateria (till vänster) från ren energi är en helt reversibel … reaktion (till höger), där materia/antimateria förintas tillbaka till ren energi. Denna skapelse- och annihilationsprocess, som lyder E = mc^2, är det enda kända sättet att skapa och förstöra materia eller antimateria.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

När och varhelst och varhelst antimateria och materia möts i universum sker ett fantastiskt energiutbrott på grund av partikel-antipartikelannihilation. Vi observerar faktiskt denna förintelse på vissa platser, men endast runt hyperenergiska källor som producerar materia och antimateria i lika stora mängder, som runt massiva svarta hål. När antimaterian stöter på materia i universum producerar den gammastrålar med mycket specifika frekvenser, som vi sedan kan upptäcka. Det interstellära och intergalaktiska mediet är fullt av materia, och den totala avsaknaden av dessa gammastrålar är en stark signal om att det inte finns stora mängder antimateriepartiklar som flyger omkring någonstans, eftersom den signaturen för materia/antimateria skulle synas.

Oavsett om det är i kluster, galaxer, vårt eget stjärnområdes grannskap eller vårt solsystem, så har vi oerhörda,… kraftfulla begränsningar av fraktionen av antimateria i universum. Det kan inte råda något tvivel: allt i universum är materiedominerat.

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

I vår egen galax interstellära medium skulle medellivslängden vara i storleksordningen cirka 300 år, vilket är litet jämfört med vår galax ålder! Denna begränsning säger oss att, åtminstone inom Vintergatan, är mängden antimateria som tillåts blandas med den materia vi observerar högst 1 del på 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000! På större skalor – till exempel galaxer och galaxhopar – är begränsningarna mindre stränga men fortfarande mycket starka. Med observationer som sträcker sig från bara några miljoner ljusår till över tre miljarder ljusår har vi observerat en brist på de röntgen- och gammastrålar som vi skulle förvänta oss av materia-antimateriaförintelse. Vad vi har sett är att även på stora kosmologiska skalor är 99,999%+ av det som existerar i vårt universum definitivt materia (som vi) och inte antimateria.

Detta är reflexionsnebulosan IC 2631, avbildad av MPG/ESO:s 2,2-m-teleskop. Vare sig inom vår… egen galax eller mellan galaxer finns det helt enkelt inga bevis för de gammastrålningssignaturer som skulle behöva finnas om det fanns betydande fickor, stjärnor eller galaxer gjorda av antimateria.

ESO

Så på något sätt, även om vi inte är helt säkra på hur, måste vi ha skapat mer materia än antimateria i universums förflutna. Vilket blir ännu mer förvirrande av att symmetrin mellan materia och antimateria, när det gäller partikelfysik, är ännu tydligare än man kan tro. Till exempel:

  • Varje gång vi skapar en kvark skapar vi också en antikvark,
  • varje gång en kvark förstörs förstörs också en antikvark,
  • varje gång vi skapar eller förstör en lepton skapar eller förstör vi också en antilepton från samma leptonfamilj, och
  • Varje gång en kvark eller lepton genomgår en växelverkan, kollision eller sönderfall är det totala nettotalet av kvarkar och leptoner i slutet av reaktionen (kvarkar minus antikvarkar, leptoner minus antileptoner) detsamma i slutet som det var i början.

Det enda sättet vi någonsin har gjort mer (eller mindre) materia i universum har varit att också göra mer (eller mindre) antimateria i lika stor mängd.

Standardmodellens partiklar och antipartiklar lyder alla sorters bevarandelagar, men där…. finns små skillnader mellan beteendet hos vissa partikel/antipartikelpar som kan vara ledtrådar till baryogenesens ursprung.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Men vi vet att det måste vara möjligt; den enda frågan är hur det hände. I slutet av 1960-talet identifierade fysikern Andrej Sacharov tre nödvändiga villkor för baryogenes, eller skapandet av fler baryoner (protoner och neutroner) än antibaryoner. De är följande:

  1. Universet måste vara ett system som inte är i jämvikt.
  2. Det måste uppvisa C- och CP-skador.
  3. Det måste finnas interaktioner som bryter mot baryonantalet.

Det första är lätt, eftersom ett expanderande, avkylande universum med instabila partiklar (och/eller antipartiklar) i sig per definition är i obalans. Den andra är också lätt, eftersom C-symmetri (som ersätter partiklar med antipartiklar) och CP-symmetri (som ersätter partiklar med spegelreflekterade antipartiklar) båda bryts i de svaga växelverkningarna.

En normal meson snurrar moturs om sin nordpol och sönderfaller sedan med en elektron som … avges i riktning mot nordpolen. Genom att tillämpa C-symmetri ersätts partiklarna med antipartiklar, vilket innebär att vi borde ha en antimeson som snurrar moturs om sin nordpol sönderfaller genom att en positron emitteras i nordlig riktning. På samma sätt vänder P-symmetri på det vi ser i en spegel. Om partiklar och antipartiklar inte beter sig exakt likadant under C-, P- eller CP-symmetrier sägs den symmetrin vara kränkt. Hittills är det bara den svaga växelverkan som bryter mot någon av de tre.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Det lämnar frågan om hur man kan bryta mot baryonantalet. I partikelfysikens standardmodell finns det, trots den observerade bevarandet av baryonantalet, ingen uttrycklig bevarandelag för vare sig detta eller leptonantalet (där en lepton är en partikel som en elektron eller en neutrino). I stället är det bara skillnaden mellan baryoner och leptoner, B – L, som bevaras. Så under rätt omständigheter kan man inte bara tillverka extra protoner, man kan också tillverka de elektroner man behöver för att följa med dem.

Vad dessa omständigheter är är dock fortfarande ett mysterium. I universums tidiga skeden förväntar vi oss helt och hållet att lika stora mängder materia och antimateria ska existera, med mycket höga hastigheter och energier.

Vid de höga temperaturer som uppnåtts i det mycket unga universum kan inte bara partiklar och fotoner… spontant skapas, om de får tillräckligt med energi, utan även antipartiklar och instabila partiklar, vilket resulterar i en primitiv partikel- och antipartikelsoppa.

Brookhaven National Laboratory

I takt med att universum expanderar och svalnar kommer instabila partiklar, som en gång skapades i stor mängd, att sönderfalla. Om rätt förutsättningar är uppfyllda kan de leda till ett överskott av materia i förhållande till antimateria, även där det från början inte fanns något överskott. Det finns tre ledande möjligheter för hur detta överskott av materia över antimateria kan ha uppstått:

  • Ny fysik på den elektrosvaga skalan kan kraftigt öka mängden C- och CP-skador i universum, vilket leder till en asymmetri mellan materia och antimateria. Sphaleroninteraktioner, som bryter mot B och L individuellt (men bevarar B – L) kan då generera rätt mängd baryoner och leptoner. Detta kan ske antingen utan supersymmetri eller med supersymmetri, beroende på mekanismen.
  • Ny neutrinofysik vid höga energier, som vi har en enorm antydan om, skulle kunna skapa en grundläggande leptonasymmetri tidigt: leptogenes. Sphaleronerna, som bevarar B – L, skulle sedan använda denna leptonasymmetri för att generera en baryonasymmetri.
  • Och baryogenes i GUT-skalan, där ny fysik (och nya partiklar) upptäcks existera på den stora enhetsskalan, där den elektrosvaga kraften förenas med den starka kraften.

De här scenarierna har alla vissa element gemensamt, så låt oss gå igenom det sista, som ett exempel, för att se vad som kunde ha hänt.

Inom de andra partiklarna i universum, om idén om en Grand Unified Theory gäller för… vårt universum, kommer det att finnas ytterligare supertunga bosoner, X- och Y-partiklar, tillsammans med deras antipartiklar, som visas med sina lämpliga laddningar mitt i det varma havet av andra partiklar i det tidiga universum.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Om grand unification är sant borde det finnas nya, supertunga partiklar, kallade X och Y, som har både baryon- och leptonliknande egenskaper. Det borde också finnas deras motsvarigheter i antimateria: anti-X och anti-Y, med motsatta B-L-nummer och motsatta laddningar, men med samma massa och livslängd. Dessa partikel-antipartikelpar kan skapas i stor mängd vid tillräckligt höga energier, och kommer sedan att sönderfalla vid senare tidpunkter.

Så ditt universum kan fyllas med dem, och sedan kommer de att sönderfalla. Om du har C- och CP-skador är det dock möjligt att det finns små skillnader mellan hur partiklar och antipartiklar (X/Y vs. anti-X/anti-Y) sönderfaller.

Om vi tillåter X- och Y-partiklar att sönderfalla till de visade kvark- och leptonkombinationerna, så kommer deras… antipartiklar motsvarigheter att sönderfalla till de respektive antipartikelkombinationerna. Men om CP kränks kan sönderfallsvägarna – eller andelen partiklar som sönderfaller på det ena sättet jämfört med det andra – vara olika för X- och Y-partiklarna jämfört med anti-X- och anti-Y-partiklarna, vilket resulterar i en nettoproduktion av baryoner framför antibaryoner och leptoner framför antileptoner.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Om din X-partikel har två vägar: att sönderfalla till två uppåtriktade kvarkar eller en anti-nedåtriktad kvark och en positron, så måste anti-X ha två motsvarande vägar: två anti-uppåtriktade kvarkar eller en nedåtriktad kvark och en elektron. Observera att X har B – L på två tredjedelar i båda fallen, medan anti-X har negativa två tredjedelar. Det är liknande för Y/anti-Y-partiklarna. Men det finns en viktig skillnad som är tillåten med C- och CP-violation: X skulle kunna ha större sannolikhet att sönderfalla till två up-kvarkar än vad anti-X har för att sönderfalla till två anti-up-kvarkar, medan anti-X skulle kunna ha större sannolikhet att sönderfalla till en down-kvark och en elektron än vad X har för att sönderfalla till en anti-down-kvark och en positron.

Om man har tillräckligt många X/anti-X- och Y/anti-Y-par, och de sönderfaller på detta tillåtna sätt, kan man lätt skapa ett överskott av baryoner jämfört med antibaryoner (och leptoner jämfört med antileptoner) där det tidigare inte fanns något överskott.

Om partiklarna sönderfaller enligt den mekanism som beskrivs ovan skulle vi få ett… överskott av kvarkar över antikvarkar (och leptoner över antileptoner) efter att alla instabila, supertunga partiklar sönderfallit. Efter att de överflödiga partikel-antipartikelparen har annihilerats (matchade med streckade röda linjer) skulle vi få ett överskott av uppåt- och nedåtriktade kvarkar, som bildar protoner och neutroner i kombinationer av uppåt-och-nedåt respektive uppåt-och-ned-nedåt, och elektroner, som kommer att motsvara protonerna i antal.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Med andra ord kan man börja med ett fullständigt symmetriskt universum, ett universum som lyder alla kända fysikaliska lagar och som spontant skapar materia och antimateria endast i lika och motsatta par, och sluta med ett överskott av materia jämfört med antimateria till slut. Vi har flera möjliga vägar till framgång, men det är mycket troligt att naturen bara behövde en av dem för att ge oss vårt universum.

Det faktum att vi existerar och är gjorda av materia är obestridligt; frågan om varför vårt universum innehåller något (materia) i stället för ingenting (från en lika stor blandning av materia och antimateria) är en fråga som måste ha ett svar. Under det här århundradet kan framsteg inom elektrosvaga precisionstester, colliderteknik och experiment som undersöker partikelfysik bortom standardmodellen avslöja exakt hur det hände. Och när det sker kommer ett av de största mysterierna i hela tillvaron äntligen att ha en lösning.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.