Kui vaatame Universumit, kõiki selle planeete ja tähti, galaktikaid ja kobaraid, gaasi, tolmu, plasmat, näeme kõikjal samu allkirju. Me näeme aatomabsorptsiooni ja emissiooni jooni, näeme, et mateeria interakteerub muude ainevormidega, me näeme tähtede moodustumist ja tähtede surma, kokkupõrkeid, röntgenikiirte ja palju muud. On ilmne küsimus, mis vajab selgitamist: miks me seda kõike näeme? Kui füüsikaseadused dikteerivad aine ja antimaterjali vahelise sümmeetria, siis ei tohiks universumit, mida me vaatleme, eksisteerida.
Kuid me oleme siin ja keegi ei tea, miks.
Miks pole universumis antimaterjali?
Mõelge nendele kahele näiliselt vastuolulisele faktile:
- iga kord, kui loome kvarki või leptoni, loome ka antiikmargi ja antileptoni;
- iga kord, kui hävitatakse kvark või lepton, hävitatakse ka antikvark või antilepton;
- loodud või hävitatud leptonid ja antileptonid peavad olema tasakaalus kogu suviseltskonnaga ning iga kord, kui kvark või lepton interakteeruvad, põrkuvad või lagunevad, peaks kvarkide ja leptonite koguarv reaktsiooni lõpus (kvargid miinus antikvaarid, leptonid miinus antileptonid) olema ja olema sama, mis see alguses oli.
Ainus viis universumis oleva aine hulga muutmiseks oli ka antimaterjali koguse sama suurusega muutmine.
Ja veel, on veel üks fakt.
Kuid me ei näe, et antimaterjal oleks kõige laiemas plaanis hävitanud ainet. Me ei näe ühtegi märki selle kohta, et mõned meie täheldatud tähed, galaktikad või planeedid oleksid valmistatud antimaterjalist. Me ei näe iseloomulikke gammakiiri, mida võiks oodata, kui antimaterjal põrkub mateeriaga kokku ja hävib. Selle asemel näeme kõikjal, kuhu vaatame, ainult ainet.
Reklaamvideo:
Ja see tundub võimatu. Ühest küljest pole teada viisi, kuidas antimaterjalist rohkem ainet saada, vaadeldes osakesi ja nende vastasmõjusid universumis. Teisest küljest on kõik, mida me näeme, kindlasti tehtud ainest, mitte antimaterjalist.
Tegelikult oleme täheldanud mateeria ja antimaterjali hävimist mingites äärmuslikes astrofüüsikalistes tingimustes, kuid ainult hüperenergeetiliste allikate läheduses, mis tekitavad ainet ja antimaterjali võrdses koguses - näiteks mustad augud. Kui antimaterium universumis mateeriaga kokku põrkub, tekitab see väga spetsiifiliste sageduste gammakiiri, mida saame seejärel tuvastada. Tähtedevaheline galaktikatevaheline keskkond on materjali täis ja nende gammakiirte täielik puudumine on tugev signaal, et kunagi ei teki enam kunagi enam antimaterjalide osakesi, kuna siis avastatakse mateeria-antimaterjali signatuur.
Kui viskate ühe osakese antimaterjalist meie galaktikasse, kestab see umbes 300 aastat, enne kui osakese aine hävitab. See piirang ütleb meile, et Linnutee antimaterjali kogus ei tohi aine üldkoguse suhtes ületada 1 osakest kvadriljoni kohta (1015).
Suures plaanis - satelliidiga galaktikate skaalal, Linnutee suurustel suurtel galaktikatel ja isegi galaktikate klastritel - on piirangud vähem ranged, kuid siiski väga tugevad. Vaadeldes vahemaid mõnest miljonist valgusaastast kuni kolme miljardini valgusaastani, oleme täheldanud röntgen- ja gammakiirte puudust, mis võiks viidata aine ja antimaterjali hävitamisele. Isegi suures kosmoloogilises mastaabis esindab 99,999% meie universumis eksisteerivast ainest kindlasti (nagu me oleme) ja mitte antimaterjalist.
Kuidas me sattusime sellisesse olukorda, kus Universum koosneb suurest hulgast ainest ega sisalda praktiliselt antimaterjali, kui loodusseadused on mateeria ja antimaterjali vahel absoluutselt sümmeetrilised? Noh, on kaks võimalust: kas Universum sündis rohkem ainest kui antimaterjalist või juhtus midagi varajases staadiumis, kui Universum oli väga kuum ja tihe ning tekitas aine ja antimaterjali asümmeetria, mida algselt ei eksisteerinud.
Esimest ideed ei saa teaduslikult testida ilma kogu universumit taasloomiseta, kuid teine on väga veenev. Kui meie Universum lõi kuidagi mateeria ja antimaterjali asümmeetria seal, kus see algselt polnud, siis jäävad siis toiminud reeglid täna samaks. Kui oleme piisavalt nutikad, saame välja töötada eksperimentaalsed testid, mis paljastavad mateeria päritolu meie universumis.
1960. aastate lõpus tegi füüsik Andrei Sahharov kindlaks kolm tingimust, mis on vajalikud baryogeneesiks või rohkemate baroonide (prootonite ja neutronite) loomiseks kui antikeharonide moodustamiseks. Siin nad on:
- Universum peab olema tasakaalustamatu.
- Sellel peab olema C- ja CP-rikkumine.
- Baryoni arvu rikkuda peavad olema interaktsioonid.
Esimest on lihtne jälgida, kuna laienev ja jahutav universum, milles on ebastabiilsed osakesed (ja antiosakesed), on definitsiooni järgi tasakaalust väljas. Teine on ka lihtne, kuna C-sümmeetria (osakeste asendamine osakestega) ja CP-sümmeetria (osakeste asendamine spekuleerivalt peegelduvate osakestega) purunevad paljudes nõrkades interaktsioonides, mis hõlmavad kummalisi, võlusid ja kauneid kvarke.
Jääb küsimus, kuidas murda barononi arvu. Oleme katseliselt täheldanud, et kvarkide ja antibakterite ning leptonite ja antileptoonide tasakaal on selgelt säilinud. Kuid osakestefüüsika standardmudelis pole ühegi nende koguste jaoks eraldi sõnaselget kaitseseadust.
Baryoni valmistamiseks kulub kolm kvarki, seega määrame iga kolme kvarki jaoks baroononarvu (B) 1. Samamoodi saab iga lepton leptoniarvu (L) 1. Antikvarkadel, antiarüoonidel ja antileptonitel on negatiivsed B- ja L-numbrid.
Kuid standardmudeli reeglite järgi jääb ainult erinevus baroonide ja leptonite vahel. Õigetel asjaoludel ei saa te luua mitte ainult täiendavaid prootoneid, vaid ka neid elektronid. Täpsed asjaolud pole teada, kuid Suur Pauk andis neile võimaluse realiseerida.
Universumi olemasolu esimesi etappe kirjeldavad uskumatult kõrged energiad: piisavalt kõrged, et luua iga teadaolev osake ja antiosake suures koguses vastavalt Einsteini kuulsale valemile E = mc2. Kui osakeste loomine ja hävitamine toimib nii, nagu me arvame, peaks varajane universum olema täidetud võrdse arvu mateeria ja antimaterjalide osakestega, mis muunduvad vastastikku üksteiseks, kuna saadaolev energia püsis äärmiselt kõrge.
Universumi laienedes ja jahtudes varisevad ebaühtlased osakesed, kui neid on ohtralt loodud. Kui on täidetud sobivad tingimused - eriti suhkru kolm tingimust -, võib see põhjustada antimaterjalide sisalduse ülemäärase sisalduse, isegi kui algselt neid polnud. Füüsikute väljakutse on luua vaatluste ja katsetega kooskõlas olev elujõuline stsenaarium, mis annaks teile antimaterjalist piisavalt üleliigset ainet.
Antimaterjalist erineva aine liigsuse saavutamiseks on kolm peamist võimalust:
- Uus füüsika elektrilöögi skaalal võib märkimisväärselt suurendada C- ja CP-rikkumiste hulka Universumis, mis põhjustab asümmeetriat mateeria ja antimaterjali vahel. SM interaktsioonid (läbi sphaleroni protsessi), mis lõhustavad B ja L eraldi (kuid säilitavad B - L), võivad tekitada soovitud maht barüoneid ja leptoneid.
- Uus kõrge energiaga neutriinofüüsika, millele universum vihjab, võib tekitada leptonite fundamentaalse asümmeetria: leptogeneesi. B-L-d säilitavad sphaleronid võiksid seejärel kasutada barüoonide asümmeetria loomiseks leptoni asümmeetriat.
- Või barügenees suurejoonelisel ühendamise skaalal, kui uus füüsika (ja uued osakesed) eksisteerivad suurejoonelisel ühendamise skaalal, kui elektrilöögijõud on ühendatud tugevaga.
Nendel stsenaariumidel on ühiseid elemente, nii et vaatame viimast, lihtsalt näite saamiseks, et mõista, mis võis juhtuda.
Kui suurejooneline ühendamise teooria on õige, peavad leiduma uued ülitugevad osakesed nimega X ja Y, millel on nii baroonitaolised kui ka leptonilaadsed omadused. Seal peaksid olema ka nende partnerid antimaterjalist: anti-X ja anti-Y, millel on vastupidised B - L numbrid ja vastupidised laengud, kuid sama mass ja eluiga. Neid osakeste ja osakeste vastaseid paare saab luua suurtes kogustes energiaga, mis on piisavalt kõrge, et hiljem laguneda.
Nii et me täidame nendega universumi ja siis nad lagunevad. Kui meil on C- ja CP-rikkumisi, võivad osakesed ja antiosakesed (X, Y ja anti-X, anti-Y) laguneda pisut erinevalt.
Kui X-osakesel on kaks rada: laguneb kaheks üles kvarkiks või kaheks allapoole suunatud kvarkiks ja positroniks, siis peab anti-X läbima kaks vastavat rada: kaks üles-kvarki või allapoole kvarki ja elektronit. C- ja CP purunemisel on oluline erinevus: X laguneb tõenäolisemalt kaheks kvarksiks kui anti-X kaheks üles-kvarriks, samas kui anti-X laguneb allapoole kvarkideks ja elektronideks. kui X - anti-up kvarki ja positronisse.
Kui teil on piisavalt paare ja lagunevad sel viisil, saate hõlpsalt antikehade (ja leptonite antileptoonide üle) üle barüoonide, kui neid varem polnud.
See on vaid üks näide illustreerimaks meie arusaamist toimunust. Alustasime täiesti sümmeetrilisest universumist, kus järgiti kõiki teadaolevaid füüsikaseadusi, ja kuuma, tiheda, rikka olekuga, mis oli täidetud mateeria ja antimaterjaliga võrdsetes kogustes. Need mehhanismid, mille meil pole veel vaja määratleda, järgides Sahharovi kolme tingimust, lõid need looduslikud protsessid lõppkokkuvõttes antimaterjaliga võrreldes liigse aine.
See, et me eksisteerime ja on tehtud ainest, on vaieldamatu; küsimus on selles, miks meie Universum sisaldab midagi (ainet) ja mitte midagi (lõppude lõpuks jagasid mateeria ja antimaterjal võrdselt). Võib-olla leiame sellel sajandil sellele küsimusele vastuse.
Ilja Khel
