We wszystkich skalach Wszechświata, od naszego lokalnego sąsiedztwa do ośrodka międzygwiazdowego do pojedynczych… galaktyk do gromad do włókien i wielkiej kosmicznej sieci, wszystko, co obserwujemy, wydaje się być zbudowane z normalnej materii, a nie antymaterii. Jest to niewyjaśniona zagadka.
NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Gdy patrzysz na ogrom Wszechświata, na planety, gwiazdy, galaktyki i wszystko, co tam jest, jedno oczywiste pytanie krzyczy o wyjaśnienie: dlaczego jest tam coś zamiast niczego? Problem staje się jeszcze gorszy, gdy weźmiemy pod uwagę prawa fizyki rządzące naszym Wszechświatem, które wydają się być całkowicie symetryczne pomiędzy materią i antymaterią. A jednak, gdy przyjrzymy się temu, co tam jest, zauważymy, że wszystkie gwiazdy i galaktyki, które widzimy, składają się w 100% z materii, z rzadka tylko z antymaterii. Oczywiste jest, że istniejemy, tak samo jak gwiazdy i galaktyki, które widzimy, więc coś musiało stworzyć więcej materii niż antymaterii, dzięki czemu znany nam Wszechświat jest możliwy. Ale jak to się stało? To jedna z największych tajemnic Wszechświata, ale taka, do której rozwiązania jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek.
Zawartość materii i energii we Wszechświecie w chwili obecnej (po lewej) i we wcześniejszych czasach… (po prawej). Zwróć uwagę na obecność ciemnej energii, ciemnej materii oraz przewagę normalnej materii nad antymaterią, która jest tak znikoma, że nie wnosi wkładu w żadnym z przedstawionych czasów.
NASA, zmodyfikowane przez użytkownika Wikimedia Commons 老陳, zmodyfikowane dalej przez E. Siegel
Rozważmy te dwa fakty o Wszechświecie, i jak bardzo są one sprzeczne:
- Każde oddziaływanie między cząstkami, jakie kiedykolwiek zaobserwowaliśmy, przy wszystkich energiach, nigdy nie stworzyło ani nie zniszczyło pojedynczej cząstki materii bez jednoczesnego stworzenia lub zniszczenia równej liczby cząstek antymaterii.
- Gdy patrzymy na Wszechświat, na wszystkie gwiazdy, galaktyki, obłoki gazu, gromady, supergromady i struktury o największej skali wszędzie, wszystko wydaje się być zrobione z materii, a nie z antymaterii.
Wydaje się to niemożliwe. Z jednej strony, nie ma znanego sposobu, biorąc pod uwagę cząstki i ich oddziaływania we Wszechświecie, aby stworzyć więcej materii niż antymaterii. Z drugiej strony wszystko, co widzimy, jest zdecydowanie zbudowane z materii, a nie antymaterii. Oto skąd to wiemy.
Produkcja par materia/antymateria (po lewej) z czystej energii jest całkowicie odwracalną… reakcją (po prawej), w której materia/antymateria anihiluje z powrotem do czystej energii. Ten proces tworzenia i anihilacji, zgodny z E = mc^2, jest jedynym znanym sposobem tworzenia i niszczenia materii lub antymaterii.
Dmitri Pogosyan / University of Alberta
Gdziekolwiek i gdziekolwiek antymateria i materia spotykają się we Wszechświecie, następuje fantastyczny wybuch energii spowodowany anihilacją cząstka-antycząstka. W rzeczywistości obserwujemy tę anihilację w niektórych miejscach, ale tylko wokół hiperenergetycznych źródeł, które produkują materię i antymaterię w równych ilościach, jak na przykład wokół masywnych czarnych dziur. Kiedy antymateria natrafia na materię we Wszechświecie, wytwarza promienie gamma o bardzo specyficznych częstotliwościach, które możemy następnie wykryć. Środowisko międzygwiezdne i międzygalaktyczne jest pełne materii, a całkowity brak tych promieni gamma jest silnym sygnałem, że nigdzie nie ma dużych ilości cząstek antymaterii, ponieważ ta sygnatura materii/antymaterii byłaby widoczna.
Czy to w gromadach, galaktykach, naszym własnym sąsiedztwie gwiazdowym, czy w naszym Układzie Słonecznym, mamy ogromne,… potężne ograniczenia dotyczące frakcji antymaterii we Wszechświecie. Nie może być żadnych wątpliwości: wszystko we Wszechświecie jest zdominowane przez materię.
Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122
W ośrodku międzygwiazdowym naszej własnej galaktyki średni czas życia byłby rzędu około 300 lat, co jest maleńkością w porównaniu z wiekiem naszej galaktyki! To ograniczenie mówi nam, że przynajmniej w Drodze Mlecznej ilość antymaterii, która może być wymieszana z materią, którą obserwujemy, wynosi co najwyżej 1 część na 1 000 000 000 000 000 000! W większych skalach – na przykład galaktyk i gromad galaktyk – ograniczenia są mniej restrykcyjne, ale nadal bardzo silne. Obserwacje prowadzone w odległości od kilku milionów lat świetlnych do ponad trzech miliardów lat świetlnych wykazały brak promieniowania rentgenowskiego i gamma, którego spodziewalibyśmy się po anihilacji materii i antymaterii. Zobaczyliśmy, że nawet w dużych, kosmologicznych skalach, 99,999%+ tego, co istnieje w naszym Wszechświecie jest zdecydowanie materią (taką jak my), a nie antymaterią.
To jest mgławica refleksyjna IC 2631, zobrazowana przez 2,2-m teleskop MPG/ESO. Czy to w naszej… własnej galaktyce, czy pomiędzy galaktykami, po prostu nie ma dowodów na istnienie sygnatur promieniowania gamma, które musiałyby istnieć, gdyby istniały znaczące kieszenie, gwiazdy lub galaktyki wykonane z antymaterii.
ESO
Więc w jakiś sposób, nawet jeśli nie jesteśmy do końca pewni jak, musieliśmy stworzyć więcej materii niż antymaterii w przeszłości Wszechświata. Co jest jeszcze bardziej zagmatwane przez fakt, że symetria między materią i antymaterią, w kategoriach fizyki cząstek, jest jeszcze bardziej wyraźna, niż mogłoby się wydawać. Na przykład:
- za każdym razem, gdy tworzymy kwark, tworzymy również antykwark,
- za każdym razem, gdy kwark jest niszczony, antykwark jest również niszczony,
- za każdym razem, gdy tworzymy-lub-niszczymy lepton, tworzymy również-lub-niszczymy antylepton z tej samej rodziny leptonów, oraz
- za każdym razem, gdy kwark lub lepton wchodzi w interakcję, zderzenie lub rozpad, całkowita liczba netto kwarków i leptonów na końcu reakcji (kwarki minus antykwarki, leptony minus antyleptony) jest taka sama na końcu, jak na początku.
Jedynym sposobem, w jaki kiedykolwiek wytworzyliśmy więcej (lub mniej) materii we Wszechświecie, było wytworzenie również więcej (lub mniej) antymaterii w równej ilości.
Cząstki i antycząstki Modelu Standardowego przestrzegają wszystkich rodzajów praw zachowania, ale…. są niewielkie różnice między zachowaniem niektórych par cząstek/antycząstek, które mogą być wskazówkami pochodzenia bariogenezy.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Wiemy jednak, że musi to być możliwe; jedynym pytaniem jest, jak do tego doszło. Pod koniec lat 60. fizyk Andriej Sacharow zidentyfikował trzy warunki niezbędne do bariogenezy, czyli powstania większej liczby barionów (protonów i neutronów) niż antybarionów. Są one następujące:
- Wszechświat musi być układem poza równowagą.
- Musi wykazywać naruszenie C- i CP.
- Muszą istnieć oddziaływania naruszające liczbę barionową.
Pierwszy z nich jest łatwy, ponieważ rozszerzający się, stygnący Wszechświat z niestabilnymi cząstkami (i/lub antycząstkami) jest z definicji poza równowagą. Drugie też jest łatwe, ponieważ symetria „C” (zastępowanie cząstek antycząstkami) i symetria „CP” (zastępowanie cząstek antycząstkami odbitymi w lustrze) są naruszone w oddziaływaniach słabych.
Zwykły mezon wiruje przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół swojego bieguna północnego, a następnie rozpada się z elektronem emitowanym… wzdłuż kierunku bieguna północnego. Zastosowanie C-symetrii powoduje zamianę cząstek na antycząstki, co oznacza, że antymezon wirujący przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół swojego bieguna północnego rozpada się emitując pozyton w kierunku północnym. Podobnie, P-symetria odwraca to, co widzimy w lustrze. Jeżeli cząstki i antycząstki nie zachowują się dokładnie tak samo w symetrii C, P lub CP, to mówi się, że symetria ta jest naruszona. Jak dotąd tylko oddziaływanie słabe narusza którąkolwiek z tych trzech symetrii.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Pozostaje pytanie, jak naruszyć liczbę barionową. W Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, pomimo obserwowanego zachowania liczby barionowej, nie ma wyraźnego prawa zachowania ani tej liczby, ani liczby leptonowej (gdzie lepton jest cząstką taką jak elektron lub neutrino). Konserwowana jest jedynie różnica pomiędzy barionami i leptonami, B – L. W odpowiednich okolicznościach można więc zachować liczbę barionów i leptonów. Tak więc w odpowiednich okolicznościach można nie tylko wytworzyć dodatkowe protony, ale i potrzebne do nich elektrony.
Jakie to okoliczności, pozostaje jednak tajemnicą. We wczesnych stadiach Wszechświata w pełni oczekujemy istnienia równych ilości materii i antymaterii, o bardzo dużych prędkościach i energiach.
W wysokich temperaturach osiąganych w bardzo młodym Wszechświecie, nie tylko cząstki i fotony mogą być… spontanicznie tworzone, przy dostatecznej energii, ale także antycząstki i cząstki niestabilne, w wyniku czego powstaje pierwotna zupa cząstek i antycząstek.
Brookhaven National Laboratory
W miarę rozszerzania się i ochładzania Wszechświata, niestabilne cząstki, raz utworzone w wielkiej obfitości, rozpadają się. Jeśli spełnione zostaną odpowiednie warunki, mogą one doprowadzić do nadmiaru materii nad antymaterią, nawet tam, gdzie początkowo jej nie było. Istnieją trzy główne możliwości, w jaki sposób mogła powstać ta nadwyżka materii nad antymaterią:
- Nowa fizyka w skali elektrosłabej mogła znacznie zwiększyć ilość naruszeń C i CP we Wszechświecie, prowadząc do asymetrii pomiędzy materią i antymaterią. Oddziaływania sfaleronów, które naruszają indywidualnie B i L (ale zachowują B – L) mogą wtedy generować odpowiednie ilości barionów i leptonów. Mogłoby to zachodzić bez supersymetrii lub z supersymetrią, w zależności od mechanizmu.
- Nowa fizyka neutrin przy wysokich energiach, o której mamy ogromną wiedzę, mogłaby stworzyć fundamentalną asymetrię leptonową już na wczesnym etapie: leptogeneza. Sfalerony, które zachowują B – L, wykorzystałyby tę leptonową asymetrię do wygenerowania asymetrii barionowej.
- Albo bariogeneza w skali GUT, gdzie nowa fizyka (i nowe cząstki) istnieją w skali wielkiej unifikacji, gdzie siła elektrosłaba jednoczy się z siłą silną.
Te scenariusze mają pewne elementy wspólne, więc przejdźmy przez ostatni z nich, tylko jako przykład, aby zobaczyć, co mogło się wydarzyć.
Oprócz innych cząstek we Wszechświecie, jeśli idea Wielkiej Teorii Jednolitej dotyczy… naszego Wszechświata, pojawią się dodatkowe superciężkie bozony, cząstki X i Y, wraz z ich antycząstkami, ukazane z odpowiednimi ładunkami pośród gorącego morza innych cząstek we wczesnym Wszechświecie.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Jeśli wielka unifikacja jest prawdą, to powinny istnieć nowe, superciężkie cząstki, zwane X i Y, które mają własności zarówno barionowe, jak i leptonowe. Powinny też istnieć ich odpowiedniki z antymaterii: anty-X i anty-Y, o przeciwnych liczbach B-L i przeciwnych ładunkach, ale tej samej masie i czasie życia. Te pary cząstka-antycząstka mogą być tworzone w dużych ilościach przy wystarczająco wysokich energiach, a następnie rozpadną się w późniejszym czasie.
Więc twój Wszechświat może być nimi wypełniony, a następnie rozpadną się. Jeśli jednak mamy do czynienia z naruszeniem C i CP, to możliwe jest, że istnieją niewielkie różnice między tym, jak rozpadają się cząstki i antycząstki (X/Y vs. anty-X/anti-Y).
Jeśli pozwolimy cząstkom X i Y rozpadać się na przedstawione kombinacje kwarków i leptonów, to ich… antycząstkowe odpowiedniki rozpadną się na odpowiednie kombinacje antycząstek. Ale jeśli CP jest naruszone, ścieżki rozpadu – lub procent cząstek rozpadających się w ten czy inny sposób – mogą być różne dla cząstek X i Y w porównaniu z cząstkami anty-X i anty-Y, co skutkuje produkcją netto barionów w stosunku do antybarionów i leptonów w stosunku do antyleptonów.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Jeśli cząstka X ma dwie ścieżki: rozpad na dwa kwarki górne lub antykwarki dolne i pozyton, to anty-X musi mieć dwie odpowiadające jej ścieżki: dwa kwarki antygórne lub kwarki dolne i elektron. Zauważmy, że w obu przypadkach X ma B – L równe dwie trzecie, podczas gdy anty-X ma ujemne dwie trzecie. Podobnie jest z cząstkami Y/anty-Y. Ale jest jedna ważna różnica, która jest dopuszczalna przy naruszeniu C- i CP: X może być bardziej skłonny do rozpadu na dwa kwarki górne niż anty-X na dwa kwarki anty-górne, a anty-X może być bardziej skłonny do rozpadu na kwark dolny i elektron niż X na anty-kwarki dolne i pozyton.
Jeżeli masz wystarczająco dużo par X/anty-X i Y/anty-Y, i rozpadają się one w ten dozwolony sposób, możesz łatwo stworzyć nadmiar barionów nad antybarionami (i leptonów nad antyleptonami) tam, gdzie wcześniej ich nie było.
Gdyby cząstki rozpadały się zgodnie z mechanizmem opisanym powyżej, pozostałby nam… nadmiar kwarków nad antykwarkami (i leptonów nad antyleptonami) po rozpadnięciu się wszystkich niestabilnych, superciężkich cząstek. Po anihilacji nadmiaru par cząstka-antycząstka (zaznaczonych czerwonymi przerywanymi liniami) pozostałby nadmiar kwarków góra-dół, z których składają się protony i neutrony w kombinacjach odpowiednio góra-dół i góra-dół, oraz elektrony, których liczba dorówna liczbie protonów.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Innymi słowy, można zacząć od całkowicie symetrycznego Wszechświata, takiego, który przestrzega wszystkich znanych praw fizyki i który spontanicznie tworzy materię i antymaterię tylko w równych i przeciwnych parach, a na końcu skończyć z nadmiarem materii nad antymaterią. Mamy wiele możliwych dróg do sukcesu, ale jest bardzo prawdopodobne, że natura potrzebowała tylko jednej z nich, aby dać nam nasz Wszechświat.
Fakt, że istniejemy i jesteśmy zbudowani z materii, jest niepodważalny; pytanie, dlaczego nasz Wszechświat zawiera coś (materię) zamiast niczego (z równej mieszanki materii i antymaterii), jest pytaniem, które musi mieć odpowiedź. W tym stuleciu postępy w precyzyjnych badaniach oddziaływań elektrosłabych, technologia zderzeń i eksperymenty badające fizykę cząstek elementarnych wykraczającą poza Model Standardowy mogą ujawnić, jak to się stało. A gdy tak się stanie, jedna z największych tajemnic w całym istnieniu znajdzie wreszcie rozwiązanie.