Ko gledamo vesolje, vse njegove planete in zvezde, galaksije in grozde, plin, prah, plazmo, povsod vidimo iste podpise. Vidimo črte atomske absorpcije in emisije, vidimo, da materija medsebojno deluje z drugimi oblikami materije, vidimo nastajanje zvezd in smrt zvezd, trke, rentgenske žarke in še veliko več. Obstaja očitno vprašanje, ki zahteva razlago: zakaj vidimo vse to? Če zakoni fizike narekujejo simetrijo med materijo in antimaterijo, vesolje, ki ga opazujemo, ne bi smelo obstajati.
Toda tu smo in nihče ne ve, zakaj.
Zakaj v vesolju ni antimaterije?
Razmislite o teh dveh na videz nasprotujočih si dejstvih:
- vsakič, ko ustvarimo kvark ali lepton, ustvarimo tudi antikvark in antilepton;
- vsakič, ko se uniči kvark ali lepton, se uniči tudi antikvark ali antilepton;
- ustvarjeni ali uničeni leptoni in antileptoni morajo biti v ravnovesju po celotni družini poletnih kopov in vsakič, ko se kvarki ali lepton medsebojno spopadajo, trčijo ali razpadajo, bi moralo in bo skupno število kvarkov in leptonov na koncu reakcije (kvarki minus antikvarki, leptoni minus antileptoni) enako, kot je bilo na začetku.
Edini način, da spremenimo količino materije v vesolju, je bila tudi sprememba količine antimaterije za isto količino.
In vendar obstaja drugo dejstvo.
Vendar v največjem obsegu ne vidimo nobenih znakov uničenja snovi s strani antimaterije. Ne vidimo nobenega znaka, da so nekatere zvezde, galaksije ali planeti, ki jih opazimo, izdelani iz antimaterije. Ne vidimo značilnih gama žarkov, ki bi jih človek pričakoval, če bi antimaterija trčila v snov in jo uničila. Namesto tega vidimo samo materijo povsod, kjer pogledamo.
Promocijski video:
In zdi se nemogoče. Po eni strani ni znan način, da bi s pregledovanjem delcev in njihovih interakcij v vesolju naredili več kot antimaterija. Po drugi strani je vse, kar vidimo, vsekakor sestavljeno iz materije, in ne iz antimaterije.
Pravzaprav smo opazili iztrebljanje materije in antimaterije v nekaterih ekstremnih astrofizičnih razmerah, vendar le v bližini hipenergetskih virov, ki proizvajajo snov in antimaterijo v enakih količinah - na primer črne luknje. Ko antimaterija trči v snov v vesolju, ta proizvaja gama žarke zelo specifičnih frekvenc, ki jih lahko nato zaznamo. Medzvezdni medgalaktični medij je poln materiala in popolna odsotnost teh gama žarkov je močan signal, da nikoli ne bo veliko več antimaterijskih delcev, saj bi takrat odkrili podpis antimaterijske snovi.
Če en delček antimaterije vržete v našo galaksijo, bo trajalo približno 300 let, preden ga bo delček snovi uničil. Ta omejitev nam pove, da količina antimaterije v Mlečni poti ne sme presegati 1 delca na kvadril (1015) glede na celotno količino snovi.
V velikem obsegu - obseg satelitskih galaksij, velike galaksije velikosti Mlečne poti in celo grozdi galaksij - so omejitve manj stroge, vendar še vedno zelo močne. Če opazimo razdalje od nekaj milijonov svetlobnih let do tri milijarde svetlobnih let, smo opazili manjšo količino rentgenskih in gama žarkov, ki bi lahko kazali na uničevanje materije in antimaterije. Tudi v velikem kozmološkem merilu bo 99,999% tistega, kar obstaja v našem vesolju, zagotovo zastopalo snov (kot smo mi) in ne antimaterija.
Kako smo se končali v taki situaciji, da Vesolje sestavlja veliko količino materije in praktično ne vsebuje antimaterije, če so naravni zakoni med materijo in antimaterijo popolnoma simetrični? No, obstajata dve možnosti: ali Vesolje se je rodilo z več materije kot protiimaterije, ali pa se je nekaj zgodilo v zgodnji fazi, ko je bilo Vesolje zelo vroče in gosto in je povzročilo asimetrijo materije in antimaterije, ki prvotno ni obstajala.
Prve ideje ni mogoče znanstveno preizkusiti brez ponovnega ustvarjanja celotnega Vesolja, druga pa je zelo prepričljiva. Če je naše Vesolje nekako ustvarilo asimetrijo materije in antimaterije tam, kjer prvotno ni bilo, potem bodo pravila, ki so takrat delovala, ostala nespremenjena še danes. Če smo dovolj pametni, lahko razvijemo eksperimentalne teste, ki razkrijejo izvor snovi v našem vesolju.
V poznih 60. letih prejšnjega stoletja je fizik Andrej Saharov določil tri pogoje, potrebne za bariogenezo oziroma ustvarjanje več barionov (protonov in nevtronov) kot antibarionov. Tukaj so:
- Vesolje mora biti neravnovesni sistem.
- Imeti mora kršitev C in CP.
- Obstajati morajo interakcije, ki kršijo barionovo številko.
Prvo je enostavno opaziti, saj bo širjenje in hlajenje Vesolja z nestabilnimi delci v njem (in proti delci) po definiciji iz ravnovesja. Drugi je tudi preprost, saj se C-simetrija (nadomestitev delcev z anti delci) in CP-simetrija (nadomestitev delcev s spekularno odsevnimi delci) porušijo v številnih šibkih interakcijah, ki vključujejo čudne, očarljive in lepe kvarke.
Še vedno ostaja vprašanje, kako prekiniti številko bariona. Eksperimentalno smo opazili, da se ravnovesje kvarkov proti antikvarkom in leptonov proti antileptonom jasno ohranja. Toda v standardnem modelu fizike delcev ni nobenega izrecnega zakona o ohranitvi za nobeno od teh količin posebej.
Za izdelavo bariona so potrebni trije kvarki, zato bomo vsakemu triju kvarkov dodelili barionovo številko (B) 1. Prav tako bo vsak lepton dobil leptonovo številko (L) 1. Antikvarki, antibarijoni in antileptoni bodo imeli negativni B in L številki.
Toda po pravilih standardnega modela ostane le razlika med barioni in leptoni. V pravih okoliščinah ne morete ustvariti samo dodatnih protonov, temveč elektrone do njih. Natančne okoliščine niso znane, vendar jim je Big Bang dal priložnost za uresničitev.
Že prve stopnje obstoja Vesolja opisujejo neverjetno visoke energije: dovolj visoke, da ustvarijo vsak znani delček in antidelec v velikih količinah po Einsteinovi znani formuli E = mc2. Če ustvarjanje in uničenje delcev deluje tako, kot mislimo, bi bilo treba v zgodnjem vesolju napolniti enako število delcev snovi in antimaterije, ki se medsebojno spreminjajo, saj je razpoložljiva energija ostala izjemno velika.
Ko se vesolje širi in hladi, se nestabilni delci, ki jih enkrat ustvarijo v izobilju, propadejo. Če so izpolnjeni ustrezni pogoji - zlasti trije pogoji sladkorja -, to lahko povzroči presežek materije nad antimaterijo, tudi če na začetku teh ni bilo. Izziv za fizike je, da ustvarijo izvedljiv scenarij, skladen z opazovanjem in eksperimentiranjem, ki vam bo omogočil dovolj odvečne snovi pred protimivarno.
Obstajajo tri glavne možnosti za ta presežek snovi pred antimaterijo:
- Nova fizika na lestvici elektroboba lahko znatno poveča količino kršitev C in CP v vesolju, kar bo privedlo do asimetrije med materijo in antimaterijo. Interakcije SM (s sfaleronskim postopkom), ki ločijo B in L posamično (vendar zadržijo B - L), lahko ustvarijo želene količine barionov in leptonov.
- Nova visokoenergijska nevtrinska fizika, na katero namiguje vesolje, bi lahko ustvarila temeljno asimetrijo leptonov: leptogeneza. Sfaleroni, ki ohranjajo B - L, bi lahko nato uporabili leptonovo asimetrijo za ustvarjanje barionske asimetrije.
- Ali pa bariogeneza na lestvici velikega poenotenja, če nova fizika (in novi delci) obstajajo na lestvici velike poenotenja, ko se elektročučna sila kombinira z močno.
Ti scenariji imajo skupne elemente, zato si oglejmo zadnji, samo za primer, da bomo razumeli, kaj bi se lahko zgodilo.
Če je velika teorija poenotenja pravilna, morajo obstajati novi, super težki delci, imenovani X in Y, ki imajo lastnosti bariona in leptona. Obstajajo tudi njihovi partnerji iz antimaterije: anti-X in anti-Y, z nasprotnimi številkami B - L in nasprotnimi naboji, vendar z enako maso in življenjsko dobo. Ti pari delci-delci se lahko ustvarijo v velikih količinah z dovolj visokimi energijami, da se pozneje razpadejo.
Torej z njimi napolnimo vesolje in potem se razkrojijo. Če imamo kršitve C in CP, lahko pride do manjših razlik v razpadanju delcev in anti delcev (X, Y in anti-X, anti-Y).
Če ima X delec dve poti: razpad v dve gornji kvarki ali v dva proti-navzdol kvarka in pozitrona, potem mora anti-X iti po dve ustrezni poti: dva proti-up kvarka ali navzdol kvark in elektron. Ob razbitju C- in CP je pomembna razlika: X je verjetno bolj razpadlo v dva kvarka kot anti-X v dva anti-up kvarka, medtem ko je anti-X bolj razpadlo v down kvark in elektron kot X - v anti-up kvark in pozitron.
Če imate na ta način dovolj parov in razpadete, lahko zlahka dobite presežek barionov nad antibarioni (in leptoni nad antileptoni), kjer jih prej ni bilo.
To je le en primer, ki ponazarja naše razumevanje dogajanja. Začeli smo s popolnoma simetričnim vesoljem, ob upoštevanju vseh znanih zakonov fizike, in z vročim, gostim, bogatim stanjem, napolnjenim s snovjo in antimaterijo v enakih količinah. Skozi mehanizem, ki ga moramo še določiti, ob upoštevanju Saharovih treh pogojev, so ti naravni procesi na koncu ustvarili presežek snovi nad antimaterijo.
Dejstvo, da obstajamo in smo sestavljeni iz materije, je nesporno; vprašanje je, zakaj naše Vesolje vsebuje nekaj (materijo) in nič (nenazadnje sta bila materija in antimaterija enakomerno razdeljena). Morda bomo v tem stoletju našli odgovor na to vprašanje.
Ilya Khel