Когато гледаме Вселената, всички нейни планети и звезди, галактики и клъстери, газ, прах, плазма, виждаме навсякъде едни и същи подписи. Виждаме линии на атомно поглъщане и излъчване, виждаме, че материята взаимодейства с други форми на материята, виждаме образуване на звезди и смърт на звезди, сблъсъци, рентгенови лъчи и много други. Има очевиден въпрос, който изисква обяснение: защо виждаме всичко това? Ако законите на физиката диктуват симетрия между материята и антиматерията, Вселената, която наблюдаваме, не трябва да съществува.
Но ние сме тук и никой не знае защо.
Защо във Вселената няма антиматерия?
Помислете за тези два привидно противоречащи си факта:
- всеки път, когато създаваме кварк или лептон, ние също създаваме антикварк и антилептон;
- всеки път, когато кварк или лептон е унищожен, антикварк или антилептон също се унищожава;
- създадените или унищожените лептони и антилептони трябва да са в баланс за цялото семейство на летни точки и всеки път, когато кварк или лептон взаимодействат, се сблъскват или разлагат, общият брой на кваркове и лептони в края на реакцията (кварки минус антикварки, лептони минус антилептони) трябва и ще бъдат същото, както беше в началото.
Единственият начин да промените количеството на материята във Вселената също беше да промените количеството антиматерия със същото количество.
И все пак има втори факт.
Но не виждаме никакви признаци на унищожаване на материята от антиматерията в най-голям мащаб. Не виждаме никакви признаци, че някои от звездите, галактиките или планетите, които наблюдаваме, са направени от антиматерия. Не виждаме характерните гама лъчи, които човек би очаквал да види, ако антиматерията се сблъска с материята и унищожи. Вместо това ние виждаме само материя навсякъде, където гледаме.
Промоционално видео:
И изглежда невъзможно. От една страна, няма известен начин да се направи повече материя от антиматерията, като се разгледат частиците и техните взаимодействия във Вселената. От друга страна, всичко, което виждаме, определено е направено от материя, а не от антиматерия.
Всъщност ние наблюдавахме унищожаването на материята и антиматерията при някои екстремни астрофизични условия, но само в близост до хипернергични източници, които произвеждат материята и антиматерията в равни количества - черни дупки, например. Когато антиматерията се сблъска с материята във Вселената, тя произвежда гама лъчи с много специфични честоти, които след това можем да открием. Междузвездната междугалактична среда е пълна с материал и пълното отсъствие на тези гама лъчи е силен сигнал, че никога няма да има много повече антиматериални частици, тъй като след това ще бъде открит подписът на антиматериалната материя.
Ако хвърлите една частица антиматерия в нашата галактика, тя ще продължи около 300 години, преди да бъде унищожена от частица материя. Това ограничение ни показва, че количеството антиматерия в Млечния път не може да надвишава 1 частица на квадрилион (1015), спрямо общото количество материя.
В голям мащаб - мащаба на спътникови галактики, големи галактики с размерите на Млечния път и дори струпвания на галактики - ограниченията са по-малко строги, но все още много силни. Наблюдавайки разстояния от няколко милиона светлинни години до три милиарда светлинни години, ние наблюдавахме недостиг на рентгенови лъчи и гама лъчи, които биха могли да означават унищожаване на материята и антиматерията. Дори в голям космологичен мащаб 99,999% от това, което съществува във нашата Вселена, определено ще бъде представено от материята (такава каквато сме ние), а не от антиматерията.
Как се озовахме в такава ситуация, че Вселената се състои от голямо количество материя и на практика не съдържа антиматерия, ако законите на природата са абсолютно симетрични между материята и антиматерията? Е, има два варианта: или Вселената се е родила с повече материя, отколкото антиматерия, или нещо се е случило на ранен етап, когато Вселената е била много гореща и плътна и е породила асиметрия на материята и антиматерията, която първоначално не е съществувала.
Първата идея не може да бъде изпитана научно, без да се пресъздаде цялата Вселена, но втората е много убедителна. Ако нашата Вселена по някакъв начин създаде асиметрия на материята и антиматерията там, където първоначално не е било, тогава правилата, които са действали тогава, ще останат непроменени и днес. Ако сме достатъчно умни, можем да разработим експериментални тестове, които разкриват произхода на материята в нашата Вселена.
В края на 60-те години физикът Андрей Сахаров определи три условия, необходими за бариогенеза, или създаването на повече бариони (протони и неутрони) от антибарионите. Ето ги и тях:
- Вселената трябва да е неравновесна система.
- Трябва да има нарушение на C и CP.
- Трябва да има взаимодействия, които нарушават номера на бариона.
Първият е лесен за наблюдение, тъй като разширяващата се и охлаждаща Вселена с нестабилни частици в нея (и античастици), по дефиниция, ще бъде извън равновесие. Втората също е проста, тъй като С-симетрията (заместване на частиците с античастици) и СР-симетрия (замяна на частици със светлоотразени античастици) се разрушават в много слаби взаимодействия, включващи странни, очаровани и красиви кварки.
Остава въпросът как да се прекъсне числото на бариона. Експериментално наблюдавахме, че балансът между кваркове и антикварки и лептони спрямо антилептони е ясно запазен. Но в Стандартния модел на физиката на частиците няма изричен закон за опазване на всяко от тези количества поотделно.
Необходими са три кварка, за да се направи барион, така че за всеки три кварка ние присвояваме барионно число (B) 1. По същия начин всеки лептон ще получи лептоново число (L) 1. Антикварки, антибариони и антилептони ще имат отрицателни числа В и L.
Но според правилата на Стандартния модел остава само разликата между бариони и лептони. При правилните обстоятелства не можете да създавате само допълнителни протони, но и електрони към тях. Точните обстоятелства са неизвестни, но Големият взрив им даде възможност да бъдат реализирани.
Първите етапи от съществуването на Вселената са описани от невероятно високи енергии: достатъчно високи, за да създадат всяка известна частица и античастица в големи количества, съгласно известната формула на Айнщайн E = mc2. Ако създаването и унищожаването на частици работи както си мислим, ранната Вселена би трябвало да се напълни с равен брой частици материя и антиматерия, които взаимно се трансформират една в друга, тъй като наличната енергия остава изключително висока.
Докато Вселената се разширява и охлажда, нестабилните частици, създадени веднъж в изобилие, ще рухнат. Ако са изпълнени правилните условия - по-специално трите условия на захарите - това може да доведе до излишък на материя над антиматерията, дори ако първоначално не е имало такова. Предизвикателството пред физиците е да създадат жизнеспособен сценарий, съобразен с наблюдението и експериментирането, който може да ви даде достатъчно излишна материя над антиматерията.
Има три основни възможности за този излишък от материя над антиматерията:
- Новата физика в електромащабната скала може значително да увеличи количеството на С- и СР-нарушения във Вселената, което ще доведе до асиметрия между материя и антиматерия. SM взаимодействията (чрез процеса на сфалерон), които нарушават B и L поотделно (но запазват B - L), могат да създадат желаните обеми от бариони и лептони.
- Новата високоенергийна неутрино физика, която Вселената загатва, може да създаде фундаментална асиметрия на лептоните: лептогенеза. След това сфалероните, съхраняващи B - L, биха могли да използват лептонова асиметрия за създаване на барионна асиметрия.
- Или бариогенеза в мащабния обединителен мащаб, ако новата физика (и новите частици) съществуват по скалата на голямото обединение, когато силата на електрослабване се комбинира със силната.
Тези сценарии имат общи елементи, така че нека разгледаме последния, само за пример, за да разберем какво може да се е случило.
Ако теорията за голямо обединение е правилна, трябва да има нови, свръхтежки частици, наречени X и Y, които имат свойства, подобни на барион и лептон. Трябва да има и техните партньори от антиматерия: anti-X и anti-Y, с противоположни числа B - L и противоположни заряди, но със същата маса и живот. Тези двойки античастици могат да бъдат създадени в големи количества при достатъчно високи енергии, за да могат впоследствие да се разпадат.
Така че ние напълваме вселената с тях и след това те се разпадат. Ако имаме нарушения на C и CP, може да има леки разлики в разпадането на частици и античастици (X, Y и anti-X, anti-Y).
Ако X частицата има два пътя: разпад в два нагоре кварки или в два анти-надолу кварки и позитрон, тогава anti-X трябва да премине по два съответни пътя: два анти-нагоре кварки или надолу кварк и електрон. Има съществена разлика, която е разрешена при разбиване на C- и CP: X може да има по-голяма вероятност да се разпадне на два нагоре кварки, отколкото anti-X на два анти-up кварка, докато anti-X е по-вероятно да се разпадне в низходящ кварк и електрон отколкото X - в анти-нагоре кварк и позитрон.
Ако имате достатъчно двойки и гниете по този начин, лесно можете да получите излишък от бариони над антибариони (и лептони над антилептони), където преди нямаше такива.
Това е само един пример, който илюстрира нашето разбиране за случилото се. Започнахме с напълно симетрична вселена, подчинявайки се на всички известни закони на физиката, и с горещо, плътно, богато състояние, изпълнено с материя и антиматерия в равни количества. Чрез механизъм, който тепърва ще определяме, спазвайки трите условия на Сахаров, тези естествени процеси в крайна сметка създадоха излишък от материя над антиматерията.
Фактът, че съществуваме и сме направени от материя, е неоспорим; въпросът е защо нашата Вселена съдържа нещо (материя) и не нищо (в края на краищата материята и антиматерията бяха еднакво разделени). Може би в този век ще намерим отговора на този въпрос.
Иля Кел
