Kad pogledamo Svemir, sve njegove planete i zvijezde, galaksije i klastere, plin, prašinu, plazmu, svuda vidimo iste potpise. Vidimo linije atomske apsorpcije i emisije, vidimo da tvar djeluje na druge oblike materije, vidimo stvaranje zvijezda i smrt zvijezda, sudare, X-zrake i još mnogo toga. Postoji očito pitanje koje zahtijeva objašnjenje: zašto sve ovo vidimo? Ako zakoni fizike diktiraju simetriju između materije i antimaterije, svemir koji promatramo ne bi trebao postojati.
Ali ovdje smo i nitko ne zna zašto.
Zašto u svemiru nema antimaterije?
Razmislite o ove dvije naizgled oprečne činjenice:
- svaki put kada stvorimo kvark ili lepton, stvorimo i antikvark i antilepton;
- svaki put kad se uništi kvark ili lepton, antikvark ili antilepton također se uništava;
- stvoreni ili uništeni leptoni i antileptoni moraju biti u ravnoteži po cijeloj porodici ljetnih kopriva i svaki put kada kvark ili lepton djeluju, sudaraju se ili propadaju, ukupan broj kvarkova i leptona na kraju reakcije (kvarkovi minus antikvarkovi, leptoni minus antileptoni) bi trebao biti i bit će isto kao što je to bilo na početku.
Jedini način za promjenu količine materije u svemiru bio je i u izmjeni količine antimaterije za istu količinu.
Pa ipak, postoji druga činjenica.
Ali ne vidimo znakove uništavanja materije antimaterijom u najvećem razmjeru. Ne vidimo znake da su neke zvijezde, galaksije ili planeti koje promatramo izrađeni od antimaterije. Ne vidimo karakteristične gama zrake koje bismo očekivali da bi se antimaterija sudarila s materijom i uništila ih. Umjesto toga, mi vidimo samo materiju svugdje gdje je pogledamo.
Promotivni video:
I čini se nemogućim. S jedne strane, ne zna se način da se na materije i njihove interakcije u svemiru stvori više od antimaterije. S druge strane, sve što vidimo definitivno je od materije, a ne od antimaterije.
Zapravo, promatrali smo uništavanje materije i antimaterije u nekim ekstremnim astrofizičkim uvjetima, ali samo u blizini hiperenergetskih izvora koji proizvode tvar i antimateriju u jednakim količinama - na primjer, crne rupe. Kada se antimaterija sudara s materijom u svemiru, ona proizvodi gama zrake vrlo specifičnih frekvencija koje tada možemo otkriti. Međuzvjezdani intergalaktički medij prepun je materijala, a potpuna odsutnost ovih gama zraka snažan je signal da nikada neće biti puno više antimaterijskih čestica, jer bi se tada otkrio potpis antimaterijske materije.
Ako jednu česticu antimaterije bacite u našu galaksiju, trajat će oko 300 godina prije nego što je uništi čestica materije. Ovo ograničenje govori nam o tome da količina antimaterije u Mliječnom putu ne može prelaziti 1 česticu na kvadrilijun (1015), u odnosu na ukupnu količinu materije.
U velikoj mjeri - razmjera satelitskih galaksija, velike galaksije veličine Mliječnog puta, pa čak i nakupine galaksija - ograničenja su manje stroga, ali su i dalje vrlo snažna. Promatrajući udaljenosti u rasponu od nekoliko milijuna svjetlosnih godina do tri milijarde svjetlosnih godina, primijetili smo manjak rendgenskih i gama zraka koji bi mogli ukazivati na uništavanje materije i antimaterije. Čak i na velikoj kozmološkoj ljestvici, 99,999% onoga što postoji u našem svemiru definitivno će biti zastupljeno materijom (kao što smo i mi), a ne antimaterijom.
Kako smo se našli u takvoj situaciji da se Svemir sastoji od velike količine materije i praktički ne sadrži antimateriju, ako su zakoni prirode apsolutno simetrični između materije i antimaterije? Pa, postoje dvije mogućnosti: ili se svemir rodio s više materije nego antimaterije, ili se nešto dogodilo u ranoj fazi, kada je svemir bio vrlo vruć i gust, što je stvorilo asimetriju materije i antimaterije, koja u početku nije postojala.
Prva ideja se ne može znanstveno ispitati bez ponovnog stvaranja čitavog Svemira, ali druga je vrlo uvjerljiva. Ako je naš Svemir nekako stvorio asimetriju materije i antimaterije tamo gdje ona nije bila izvorno, tada će pravila koja su tada djelovala ostati danas nepromijenjena. Ako smo dovoljno pametni, možemo razviti eksperimentalne testove koji otkrivaju porijeklo materije u našem svemiru.
Krajem 1960-ih, fizičar Andrei Saharov identificirao je tri uvjeta potrebna za bariogenezu, odnosno stvaranje više bariona (protona i neutrona) nego antibarijona. Evo ih:
- Svemir mora biti neravnotežni sustav.
- Mora imati povrede C i CP.
- Mora postojati interakcija koja krši barionov broj.
Prvo je lako promatrati, jer će se svemir koji se širi i hladi s nestabilnim česticama u njemu (i antičesticama), po definiciji, biti iz ravnoteže. Drugi je također jednostavan, jer se C-simetrija (zamjena čestica antičesticama) i CP-simetrija (zamjena čestica spekularno reflektiranim antičesticama) prekidaju u mnogim slabim interakcijama koje uključuju čudne, šarmirane i lijepe kvarkove.
Ostaje pitanje kako razbiti barijon broj. Eksperimentalno smo primijetili da je ravnoteža kvarkova prema antikvarkovima i leptona do antileptona jasno očuvana. No, u Standardnom modelu fizike čestica nema izričite zakon očuvanja za bilo koju od ovih veličina odvojeno.
Potrebna su tri kvarka da napravimo barion, pa ćemo za svaka tri kvarka dodijeliti broj bariona (B) 1. Isto tako, svaki će lepton dobiti lepton broj (L) 1. Antikvarkovi, antibarijoni i antileptoni imat će negativne B i L brojeve.
Ali prema pravilima Standardnog modela ostaje samo razlika između barijena i leptona. Pod pravim okolnostima, ne možete stvoriti samo dodatne protone, već i elektrone na njima. Točne okolnosti nisu poznate, ali Veliki prasak dao im je priliku da se realiziraju.
Prve faze postojanja Svemira opisane su nevjerojatno visokim energijama: dovoljno visokim da stvori svaku poznatu česticu i antičestice u velikim količinama prema Einsteinovoj poznatoj formuli E = mc2. Ako stvaranje i uništavanje čestica funkcionira onako kako mi mislimo da bi rani svemir trebao biti ispunjen jednakim brojem čestica materije i antimaterije koje se međusobno pretvaraju jedna u drugu, budući da je raspoloživa energija ostala izuzetno velika.
Kako se svemir širi i hladi, nestabilne čestice, jednom stvorene u izobilju, propadaju. Ako se ispune pravi uvjeti - posebice tri uvjeta šećera - to može dovesti do viška tvari u odnosu na antimateriju, čak i ako ih u početku nije bilo. Izazov za fizičare jest stvoriti održiv scenarij, u skladu s promatranjem i eksperimentima, koji će vam dati dovoljno viška tvari nad antimaterijom.
Postoje tri glavne mogućnosti za ovaj višak materije nad antimaterijom:
- Nova fizika na ljestvici elektro slaba mogla bi značajno povećati količinu kršenja C i CP u svemiru, što će dovesti do asimetrija između materije i antimaterije. SM interakcije (putem sheleronskog procesa) koje pojedinačno krše B i L (ali zadržavaju B - L) mogu stvoriti željene količine barijena i leptona.
- Nova visokoenergetska neutrino fizika na koju svemir nagovještava mogla bi stvoriti temeljnu asimetriju leptona: leptogeneza. Sfaleroni koji čuvaju B - L tada bi mogli koristiti leptonovu asimetriju za stvaranje asimetrije bariona.
- Ili bariogeneza na ljestvici velikog ujedinjenja, ako nova fizika (i nove čestice) postoje na ljestvici velikog ujedinjenja, kada se sila slabe elektronike kombinira s jakom.
Ovi scenariji imaju zajedničke elemente, pa pogledajmo posljednji, samo za primjer, da bismo razumjeli što se moglo dogoditi.
Ako je teorija velikog objedinjavanja točna, moraju postojati nove, superteške čestice zvane X i Y, koje imaju svojstva slična barionu i leptonu. Tu bi trebali biti i njihovi partneri iz antimaterije: anti-X i anti-Y, s suprotnim brojevima B - L i suprotnim nabojima, ali s istom masom i vijekom trajanja. Ti se parovi čestica-antičestice mogu stvoriti u velikim količinama s dovoljno visokim energijama da se kasnije raspadnu.
Dakle, mi ispunjavamo svemir s njima, a oni se onda raspadaju. Ako imamo kršenja C i CP, mogu postojati male razlike u načinu raspada čestica i antičestica (X, Y i anti-X, anti-Y).
Ako X čestica ima dva puta: raspadanje u dva gornja kvarka ili u dva anti-down kvarka i pozitrona, tada anti-X mora proći kroz dva odgovarajuća puta: dva anti-up kvarka ili down kvarka i elektrona. Postoji bitna razlika koja je dopuštena kada su C- i CP razbijeni: X je vjerojatnije da će se raspasti u dva gornja kvarka nego anti-X u dva anti-up kvarka, dok je anti-X vjerojatnije da će propasti u down kvark i elektron nego X - u anti-up kvark i pozitron.
Ako imate dovoljno parova i propadate na ovaj način, lako možete dobiti višak bariona nad antibarionima (i leptona nad antileptonima) tamo gdje dosad nije bilo.
Ovo je samo jedan primjer koji ilustrira naše razumijevanje onoga što se dogodilo. Počeli smo s potpuno simetričnim svemirom, poštujući sve poznate zakone fizike, i s vrućim, gustim, bogatim stanjem ispunjenim materijom i antimaterijom u jednakim količinama. Mehanizmom koji tek treba utvrditi, poštujući Saharovova tri uvjeta, ovi prirodni procesi u konačnici su stvorili višak materije nad antimaterijom.
Činjenica da postojimo i izrađujemo od materije je nesporna; pitanje je zašto naš Svemir sadrži nešto (materiju), a ne ništa (uostalom, materija i antimaterija bile su podjednako podijeljene). Možda ćemo u ovom stoljeću pronaći odgovor na to pitanje.
Ilya Khel