Pažvelgę į Visatą, į visas jos planetas ir žvaigždes, galaktikas ir sankaupas, dujas, dulkes, plazmą, visur matome tuos pačius parašus. Matome atominės absorbcijos ir emisijos linijas, matome, kad materija sąveikauja su kitomis materijos formomis, matome žvaigždžių formavimąsi ir žvaigždžių mirtį, susidūrimus, rentgeno spindulius ir dar daugiau. Kyla akivaizdus klausimas, kurį reikia paaiškinti: kodėl mes visa tai matome? Jei fizikos dėsniai diktuoja simetriją tarp materijos ir antimedžiagos, visatos, kurios mes stebime, neturėtų būti.
Bet mes esame čia ir niekas nežino kodėl.
- „Salik.biz“
Kodėl Visatoje nėra antimaterijos?
Pagalvokite apie šiuos du, atrodytų, prieštaringus faktus:
- kiekvieną kartą kurdami kvarką ar leptoną, mes taip pat sukuriame antikvarį ir antileptoną;
- kiekvieną kartą sunaikinant kvarką ar leptoną, taip pat sunaikinamas antikvaras ar antileptonas;
- sukurti ar sunaikinti leptonai ir antileptonai turi būti subalansuoti visoje vasarnamių šeimoje ir kiekvieną kartą, kai kvarkas ar leptonas sąveikauja, susiduria ar suyra, bendras kvarkų ir leptonų skaičius reakcijos pabaigoje (kvarkai atėmus antikvarius, leptonus atėmus antileptonus) turėtų ir bus toks pat, koks buvo pradžioje.
Vienintelis būdas pakeisti materijos kiekį visatoje taip pat buvo pakeisti antimaterijos kiekį tokiu pat kiekiu.
Ir vis dėlto yra dar vienas faktas.
Tačiau mes nematome jokių materijos sunaikinimo požymių, kad antimaterija yra didžiausia. Nematome jokių ženklų, kad kai kurios žvaigždės, galaktikos ar planetos, kurias stebime, yra pagamintos iš antimedžiagos. Nematome būdingų gama spindulių, kuriuos būtų galima tikėtis pamatyti, jei antimaterija susidurtų su materija ir būtų sunaikinta. Mes visur matome tik materiją.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Ir tai atrodo neįmanoma. Viena vertus, nėra žinomas būdas padaryti daugiau materijos nei antimaterija, žiūrint į daleles ir jų sąveiką visatoje. Kita vertus, viskas, ką matome, tikrai padaryta iš materijos, o ne iš antimedžiagos.
Tiesą sakant, mes stebėjome materijos ir antimaterijos sunaikinimą tam tikromis ekstremaliomis astrofizinėmis sąlygomis, tačiau tik šalia hiperenergetinių šaltinių, kurie medžiagas ir antimateriją gamina vienodais kiekiais - pavyzdžiui, juodosios skylės. Kai antimaterija susiduria su materija Visatoje, ji sukuria labai specifinių dažnių gama spindulius, kuriuos galime aptikti. Tarpžvaigždinė tarpgalaktinė terpė yra pilna medžiagos, o visiškas šių gama spindulių nebuvimas yra stiprus signalas, kad niekada nebus daugiau antimaterijos dalelių, nes tada būtų rastas antimaterijos materijos signalas.
Jei įmesite vieną galaktikos dalelę į mūsų galaktiką, ji sunaikins maždaug 300 metų, kol ją sunaikins materijos dalelė. Šis apribojimas mums sako, kad Antimaterijos kiekis Paukščių Take negali viršyti 1 dalelės kvadrilijonui (1015), palyginti su visu materijos kiekiu.
Dideliame maste - palydovinių galaktikų mastelyje, didelėse Paukščių Tako dydžio galaktikose ir net galaktikų klasteriuose - apribojimai nėra tokie griežti, bet vis tiek labai stiprūs. Stebėdami atstumus nuo kelių milijonų šviesmečių iki trijų milijardų šviesos metų, mes pastebėjome rentgeno ir gama spindulių trūkumą, kuris galėtų reikšti materijos ir antimaterijos sunaikinimą. Net ir dideliu kosmologiniu mastu 99,999% to, kas egzistuoja mūsų visatoje, neabejotinai atstovaus materija (tokia, kokia esame), o ne antimaterija.
Kaip mes atsidūrėme tokioje situacijoje, kai Visata susideda iš didelio kiekio materijos ir praktiškai neturi antimedžiagos, jei gamtos dėsniai yra absoliučiai simetriški tarp materijos ir antimaterijos? Na, yra du variantai: arba Visatoje gimė daugiau materijos, nei antimedžiagos, arba kažkas atsitiko ankstyvoje stadijoje, kai Visata buvo labai karšta ir tanki, ir atsirado materijos ir antimaterijos asimetrija, kurios iš pradžių nebuvo.
Pirmosios idėjos negalima moksliškai išbandyti neatkuriant visos Visatos, tačiau antroji yra labai įtikinama. Jei mūsų Visata kažkokiu būdu sukūrė materijos ir antimaterijos asimetriją ten, kur iš pradžių nebuvo, tada tuomet veikusios taisyklės išliks nepakitusios. Jei esame pakankamai protingi, galime sukurti eksperimentinius testus, kurie atskleidžia materijos kilmę mūsų visatoje.
Septintojo dešimtmečio pabaigoje fizikas Andrejus Sacharovas nustatė tris sąlygas, reikalingas bariogenezei arba norint sukurti daugiau baronų (protonų ir neutronų) nei antikarionų. Jie yra čia:
- Visata turi būti pusiausvyros neturinti sistema.
- Jis turi turėti C ir CP pažeidimus.
- Turi būti sąveika, pažeidžianti baronų skaičių.
Pirmąjį lengva pastebėti, nes besiplečianti ir aušinanti Visata, kurioje yra nestabilių dalelių (ir antidalelių), iš esmės bus pusiausvyros ribose. Antrasis yra taip pat paprastas, nes C-simetrija (dalelių pakeitimas antidalelėmis) ir CP-simetrija (dalelių pakeitimas spekuliariai atspindėtomis antidalelėmis) nutrūksta daugelyje silpnų sąveikų, susijusių su keistais, žaviais ir gražiais kvarkais.
Lieka klausimas, kaip nutraukti baronų skaičių. Eksperimentiškai pastebėjome, kad kvarkų ir antikūnų bei leptonų ir antileptonų pusiausvyra yra aiškiai išsaugota. Bet standartiniame dalelių fizikos modelyje nėra aiškių išsaugojimo įstatymų nė vienam iš šių kiekių atskirai.
Baryonui pagaminti prireikia trijų kvarkų, todėl kiekvienam trims kvarkams priskiriame baryono skaičių (B) 1. Taip pat kiekvienas leptonas gaus leptono skaičių (L) 1. Antikarkai, antikarionai ir antileptonai turės neigiamus B ir L skaičius.
Bet pagal standartinio modelio taisykles išlieka tik skirtumas tarp baronų ir leptonų. Tinkamomis aplinkybėmis galite ne tik sukurti papildomų protonų, bet ir elektronus. Tikslios aplinkybės nežinomos, tačiau Didysis sprogimas suteikė galimybę jas įgyvendinti.
Pirmieji Visatos egzistavimo etapai apibūdinami neįtikėtinai didelėmis energijomis: pakankamai aukštos, kad kiekviena žinoma dalelė ir antidalelė dideliais kiekiais sukurtų pagal garsiąją Einšteino formulę E = mc2. Jei dalelių kūrimas ir naikinimas veikia taip, kaip mes manome, ankstyvoji visata turėtų būti užpildyta tokiu pat skaičiumi materijos ir antimaterio dalelių, kurios tarpusavyje virsta viena kita, nes turima energija išliko nepaprastai didelė.
Kai Visata plečiasi ir vėsta, nestabilios dalelės, susidariusios gausoje gausybėje, sugrius. Jei tenkinamos tinkamos sąlygos, visų pirma trys cukraus sąlygos, tai gali sukelti medžiagų perteklių, palyginti su antimaterija, net jei iš pradžių jų nebuvo. Fizikų uždavinys yra sukurti perspektyvų scenarijų, suderintą su stebėjimu ir eksperimentavimu, kuris galėtų suteikti jums pakankamai perteklinių medžiagų, palyginti su antimaterija.
Yra trys pagrindinės šio medžiagų pertekliaus, palyginti su antimaterija, galimybės:
- Nauja fizikinė elektrinė srovė gali žymiai padidinti C ir CP pažeidimų skaičių Visatoje ir sukelti asimetriją tarp materijos ir antimaterijos. SM sąveika (per sphalerono procesą), atskirianti B ir L (bet išlaikanti B - L), gali sukurti norimus baronų ir leptonų kiekius.
- Nauja aukštos energijos neutrinų fizika, apie kurią užsimenama Visatoje, galėtų sukurti esminę leptonų asimetriją: leptogenezę. Sphaleronai, išsaugojantys B - L, tada galėtų naudoti leptoninę asimetriją, kad sukurtų baronų asimetriją.
- Arba baryogenezė didžiojoje suvienijimo skalėje, jei egzistuoja nauja fizika (ir naujos dalelės) didžiosios unifikacijos skalėje, kai elektrinio sklidimo jėga sujungiama su stipria.
Šie scenarijai turi bendrų elementų, todėl pažvelkime į paskutinįjį, tik siekdami suprasti, kas galėjo nutikti.
Jei didžioji suvienijimo teorija yra teisinga, turi būti naujų, labai sunkaus dalelių, vadinamų X ir Y, turinčių ir į baroną, ir į leptoną panašių savybių. Taip pat turėtų būti jų partneriai iš antimedžiagos: anti-X ir anti-Y, turintys priešingus B - L skaičius ir priešingus krūvius, tačiau turintys tą pačią masę ir visą gyvenimą. Šios dalelių ir dalelių poros gali būti sukurtos dideliais kiekiais esant pakankamai aukštai energijai, kad vėliau galėtų suirti.
Taigi mes užpildome juos visata, o tada jie suyra. Jei turime C ir CP pažeidimų, dalelės ir antidalelės (X, Y ir anti-X, anti-Y) suyra.
Jei X dalelė turi du kelius: skaidymąsi į du kvarkus aukštyn arba į du anti-down kvarkus ir pozitroną, tada anti-X turi eiti dviem atitinkamais keliais: dviem anti-up kvarkais arba žemyn kvarku ir elektronu. Yra svarbus skirtumas, kurį leidžiama skaidyti C- ir CP: X gali greičiau suskaidyti į du kvarkus į viršų nei anti-X į du kvarkus aukštyn, o anti-X greičiau suskaidyti į kvarkus ir elektronus. nei X - į anti-up kvarką ir pozitroną.
Jei turite pakankamai porų ir tokiu būdu suskaidote, galite lengvai gauti barionų perteklių antikūnų (ir leptonų per antileptonus) ten, kur anksčiau jų nebuvo.
Tai tik vienas pavyzdys, iliustruojantis mūsų supratimą apie tai, kas įvyko. Pradėjome nuo visiškai simetriškos visatos, laikydamiesi visų žinomų fizikos įstatymų, ir nuo karštos, tankios, sodrios būsenos, užpildytos lygiais kiekiais materijos ir antimaterijos. Remdamiesi mechanizmu, kurį dar neturime nustatyti, laikydamiesi trijų Sacharovo sąlygų, šie natūralūs procesai galiausiai sukūrė materijos perteklių, palyginti su antimaterija.
Neabejotina tai, kad mes egzistuojame ir esame sudaryti iš materijos; kyla klausimas, kodėl mūsų Visatoje yra kažkas (materijos), o ne nieko (juk materija ir antimedžiaga buvo vienodai padalytos). Galbūt šiame amžiuje rasime atsakymą į šį klausimą.
Ilja Khel