Keď sa pozrieme na vesmír, na všetky jeho planéty a hviezdy, galaxie a zhluky, plyn, prach, plazmu, všade vidíme rovnaké podpisy. Vidíme línie atómovej absorpcie a emisie, vidíme, že hmota interaguje s inými formami hmoty, vidíme formovanie hviezd a smrť hviezd, zrážky, röntgenové lúče a oveľa viac. Existuje očividná otázka, ktorá si vyžaduje vysvetlenie: prečo to všetko vidíme? Ak zákony fyziky určujú symetriu medzi hmotou a antihmotou, vesmír, ktorý pozorujeme, by nemal existovať.
Ale sme tu a nikto nevie prečo.
Prečo vo vesmíre neexistuje antihmota?
Zamyslite sa nad týmito dvoma zdanlivo protichodnými skutočnosťami:
- zakaždým, keď vytvárame kvark alebo leptón, vytvárame tiež antikvark a antilepton;
- zakaždým, keď sa zničí kvark alebo leptón, zničí sa aj antikvark alebo antilepton;
- vytvorené alebo zničené leptóny a antileptony musia byť v rovnováhe po celej rodine letných rybičiek a vždy, keď kvark alebo leptón interaguje, zráža sa alebo sa rozpadá, mal by a bude celkový počet kvarkov a leptónov na konci reakcie (kvarky mínus starožitnosti, leptóny mínus antileptony) rovnako ako na začiatku.
Jediným spôsobom, ako zmeniť množstvo hmoty vo vesmíre, bolo tiež zmeniť množstvo antihmoty o rovnaké množstvo.
A predsa je tu druhá skutočnosť.
Nevidíme však žiadne známky ničenia hmoty pomocou antihmoty v najväčšej miere. Nevidíme žiadne známky toho, že niektoré z hviezd, galaxií alebo planét, ktoré pozorujeme, sú vyrobené z antihmoty. Nevidíme charakteristické gama lúče, ktoré by človek očakával, keby antihmota narazila do hmoty a zničila sa. Namiesto toho vidíme iba hmotu všade, kam sa pozrieme.
Propagačné video:
A zdá sa to nemožné. Na jednej strane neexistuje známy spôsob, ako vyrobiť viac hmoty ako antihmotu, keď sa pozrieme na častice a ich interakcie vo vesmíre. Na druhej strane všetko, čo vidíme, je určite vyrobené z hmoty, nie z antihmoty.
V skutočnosti sme pozorovali ničenie hmoty a antihmoty za extrémnych astrofyzikálnych podmienok, ale iba v blízkosti hyperenergetických zdrojov, ktoré produkujú látku a antihmotu v rovnakom množstve - napríklad čierne diery. Keď antihmota narazí na hmotu vo vesmíre, vytvorí gama lúče veľmi špecifických frekvencií, ktoré potom môžeme zistiť. Medzihviezdne intergalaktické médium je plné materiálu a úplná absencia týchto gama lúčov je silným signálom, že nikdy nebude existovať oveľa viac antihmotových častíc, pretože by sa potom objavil podpis antihmotovej hmoty.
Ak hodíte jednu časticu antihmoty do našej galaxie, bude trvať asi 300 rokov, kým bude zničená časticou hmoty. Toto obmedzenie nám hovorí, že množstvo antihmoty v Mliečnej dráhe nemôže prekročiť 1 časticu na štvormilión (1015), vzhľadom na celkové množstvo hmoty.
Vo veľkom meradle - mierka satelitných galaxií, veľké galaxie veľkosti Mliečnej dráhy a dokonca aj zhluky galaxií - sú obmedzenia menej prísne, ale stále veľmi silné. Pri pozorovaní vzdialeností od niekoľkých miliónov svetelných rokov do troch miliárd svetelných rokov sme pozorovali nedostatok röntgenových lúčov a gama lúčov, ktorý by mohol naznačovať zničenie hmoty a antihmoty. Dokonca aj vo veľkom kozmologickom meradle bude 99,999% toho, čo existuje v našom vesmíre, určite predstavovať hmota (tak ako sme) a nie antihmota.
Ako sme skončili v takej situácii, že vesmír sa skladá z veľkého množstva hmoty a prakticky neobsahuje antihmotu, ak sú prírodné zákony absolútne symetrické medzi hmotou a antihmotou? Existujú dve možnosti: buď sa vesmír narodil s väčším množstvom hmoty ako antihmota, alebo sa niečo stalo v ranom štádiu, keď bol vesmír veľmi horúci a hustý, a vznikol asymetria hmoty a antihmoty, ktorá pôvodne neexistovala.
Prvá myšlienka nemôže byť vedecky testovaná bez obnovenia celého vesmíru, ale druhá je veľmi presvedčivá. Ak náš vesmír nejako vytvoril asymetriu hmoty a antihmoty tam, kde to nebolo pôvodne, potom pravidlá, ktoré fungovali, zostanú dnes nezmenené. Ak sme dosť inteligentní, môžeme vyvinúť experimentálne testy, ktoré odhalia pôvod hmoty v našom vesmíre.
Koncom 60. rokov fyzik Andrei Sakharov identifikoval tri podmienky potrebné pre baryogenézu alebo vytvorenie viacerých baryónov (protónov a neutrónov) ako antibaryónov. Tu sú:
- Vesmír musí byť nerovnovážny systém.
- Musí to byť v rozpore s C a CP.
- Musia existovať interakcie, ktoré porušujú baryónové číslo.
Prvý je ľahko pozorovateľný, pretože rozširujúci sa a chladiaci vesmír s nestabilnými časticami v ňom (a antičasticami) bude z definície mimo rovnováhy. Druhá je tiež jednoduchá, pretože C-symetria (nahradenie častíc antičasticami) a CP-symetria (nahradenie častíc zrkadlovo odrazenými antičasticami) sú narušené mnohými slabými interakciami, ktoré zahŕňajú podivné, očarené a krásne kvarky.
Otázkou zostáva, ako zlomiť číslo baryónu. Experimentálne sme zistili, že rovnováha kvarkov so starožitnosťami a leptónmi a antileptonmi je jasne zachovaná. Ale v štandardnom modeli časticovej fyziky neexistuje výslovný zákon o zachovaní žiadneho z týchto množstiev.
Vytvorenie baryónu vyžaduje tri kvarky, takže pre každé tri kvarky pridelíme baryónové číslo (B) 1. Podobne každý lepton dostane leptonovo číslo (L) 1. Antiquark, antibaryóny a antileptony budú mať záporné čísla B a L.
Ale podľa pravidiel štandardného modelu zostáva iba rozdiel medzi baryónmi a leptónmi. Za správnych okolností môžete nielen vytvoriť ďalšie protóny, ale aj elektróny. Presné okolnosti nie sú známe, ale Veľký tresk im dal príležitosť na realizáciu.
Prvé štádiá existencie Vesmíru sú opísané neuveriteľne vysokými energiami: dosť vysoká na to, aby vytvorila každú známu časticu a antičasticu vo veľkých množstvách podľa slávneho Einsteinovho vzorca E = mc2. Ak bude tvorba a ničenie častíc fungovať tak, ako si myslíme, ranný vesmír by musel byť vyplnený rovnakým počtom častíc hmoty a antihmoty, ktoré sa vzájomne transformovali do seba, pretože dostupná energia zostala mimoriadne vysoká.
Ako sa vesmír rozširuje a ochladzuje, nestabilné častice, akonáhle sa vytvoria v hojnosti, sa zrúti. Ak sú splnené správne podmienky - najmä tri podmienky pre cukry - to môže viesť k nadmernému množstvu nad antihmotou, aj keď pôvodne neexistovala. Výzvou pre fyzikov je vytvoriť životaschopný scenár, konzistentný s pozorovaním a experimentovaním, ktorý vám dá dostatok prebytočnej látky v porovnaní s antihmotou.
Existujú tri hlavné možnosti tohto prebytku hmoty v porovnaní s antihmotou:
- Nová fyzika na elektroslabej stupnici by mohla významne zvýšiť mieru porušenia C a CP vo vesmíre, čo povedie k asymetriám medzi hmotou a antihmotou. Interakcie SM (pomocou spfaleronového procesu), ktoré jednotlivo porušujú B a L (ale zachovávajú si B - L), môžu vytvárať požadované objemy baryónov a leptonov.
- Nová vysokoenergetická neutrínová fyzika, na ktorú vesmír poukazuje, by mohla vytvoriť základnú asymetriu leptonov: leptogenézu. Sfaleróny zachovávajúce B - L by potom mohli použiť leptonovú asymetriu na vytvorenie baryónovej asymetrie.
- Alebo baryogenéza na stupnici veľkého zjednotenia, ak nová fyzika (a nové častice) existujú na stupnici veľkého zjednotenia, keď je elektroslabá sila kombinovaná so silnou.
Tieto scenáre majú spoločné prvky, preto sa poďme pozrieť na posledný, aby sme pochopili, čo sa mohlo stať.
Ak je teória veľkého zjednotenia správna, musia existovať nové superheavy častice zvané X a Y, ktoré majú vlastnosti podobné baryónom aj leptonom. Mali by existovať aj ich partneri z antihmoty: anti-X a anti-Y, s opačnými číslami B - L a opačnými poplatkami, ale s rovnakou hmotnosťou a životnosťou. Tieto dvojice častíc a antičastíc sa môžu vytvárať vo veľkých množstvách pri energiách dostatočne vysokých na to, aby sa následne rozpadli.
Naplňujeme ich teda vesmírom a potom sa rozpadnú. Ak dôjde k porušeniu C- a CP, môžu existovať mierne rozdiely v rozklade častíc a antičastíc (X, Y a anti-X, anti-Y).
Ak má častica X dve cesty: rozpadá sa na dva kvarky nahor alebo na dva kvarky proti dolu a pozitrón, potom musí anti-X prejsť dvoma zodpovedajúcimi cestami: dvoma kvarkmi proti vzostupu alebo kvarky dole a elektrón. Je dôležitý rozdiel, ktorý je povolený, keď sú zlomené C- a CP: X môže byť pravdepodobnejšie rozpadnúť na dva kvarky vyššie ako anti-X na dva kvarky anti-up, zatiaľ čo anti-X je väčšia pravdepodobnosť, že sa rozpadnú na kvark dole a elektrón. ako X - na anti-up kvark a pozitrón.
Pri dostatočnom počte párov a rozpadoch týmto spôsobom môžete ľahko získať prebytok baryónov oproti antibaryónom (a leptonom cez antileptony), kde predtým nebol.
Toto je len jeden príklad na ilustráciu nášho chápania toho, čo sa stalo. Začali sme úplne symetrickým vesmírom, dodržiavali sme všetky známe fyzikálne zákony a horúcim, hustým, bohatým stavom, naplneným hmotou a antihmotou v rovnakom množstve. Prostredníctvom mechanizmu, ktorý ešte musíme určiť, dodržiavajúc tri Sacharovove podmienky, tieto prírodné procesy nakoniec vytvorili prebytok látky nad antihmotou.
Skutočnosť, že sme a sú vyrobené z hmoty, je nepopierateľná; Otázkou je, prečo náš vesmír obsahuje niečo (hmota) a nie nič (koniec koncov, hmota a antihmota boli rovnako rozdelené). Možno v tomto storočí nájdeme odpoveď na túto otázku.
Ilja Khel