Universet har nesten ingen antimaterie. Hvorfor?

Når vi ser på Universet, og alle dens planeter og stjerner, galakser og klynger, gass, støv, plasma, ser vi overalt den samme signatur. Vi ser en linje av atomic absorption og utslipp, ser vi at saken samhandler med andre former for materie, ser vi stjerners dannelse og død av stjerner, kollisjoner, x-stråler, og mer. Det er et åpenbart spørsmål som krever en forklaring: hvorfor ser vi alt dette? Hvis lovene i fysikk diktere symmetri mellom materie og antimaterie, som vi kan se, må ikke eksisterer.

Men vi er her, og ingen vet hvorfor.

Hvorfor i Universet er det ingen antimaterie?

Tenk på disse to motstridende ved første øyekast, fakta:

1. for Hver interaksjon mellom partikler, som vi har noensinne observert på energi, aldri opprettet, og ikke ødelegge en partikkel av saken, uten å skape det eller ødelegge et likt antall partikler av animalerie. Fysisk symmetri mellom materie og antimaterie er svært strenge, fordi:

• hver gang vi lage en quark eller et lepton, vi også lage antiquark og antilepton;
• hver gang en quark eller lepton er ødelagt, antiquark eller antilepton også ødelagt;
• skapes eller ødelegges leptons og antileptons må være i balanse for hele familien Leonov og hver gang kvarker og leptons samhandle, kolliderer, eller bryte fra hverandre, er det totale antallet av kvarker og leptons på slutten av reaksjon (minus antiquark kvarker, leptons minus antileptons) bør være den samme som den var i begynnelsen.

Den Eneste måten å endre mengden av materie i Universet innebærer også en endring i mengden av antimaterie i samme mengde.

Likevel, Og det er et annet faktum.

2. Når vi ser på Universet, alle stjernene, galaksene, gass-skyer, klynger, superclusters i stor skala og struktur, det virker som alt er laget av materie og ikke antimaterie. Overalt, der antimaterie og materie møte i Universet, er en fantastisk frigjøring av energi på grunn av partikkel utslettelse.

Men vi ser ingen tegn på ødeleggelse av materie og antimaterie i stor skala. Vi ser ingen tegn til at noen av stjerner, galakser eller planeter som vi ser er laget av antimaterie. Vi ser ikke den karakteristiske gamma-stråler som en ville forvente å se om antimaterie møtt med spørsmål og tilintetgjøre. I stedet, overalt ser vi bare saken overalt du ser.

Og det virker umulig. På den ene siden, det er ingen kjent måte å gjøre mer materie enn antimaterie, hvis vi slår til partikler og deres interaksjoner i Universet. På den annen side, alt det vi ser, definitivt består av materie og ikke antimaterie.

Faktisk, vi observerte en utslettelse av materie og antimaterie i noen ekstreme astrofysiske forhold, men bare i nærheten av giperarifmeticheskie kilder som produserer materie og antimaterie i like mengder — svart hull, for eksempel. Når antimaterie kolliderer med materie i Universet, det produserer gamma stråler av svært spesifikke frekvenser, som kan bli oppdaget. Interstellar intergalaktiske miljø er full av materialet, og fullstendig fravær av disse gamma-stråler er et sterkt signal om at ingen lenger har et stort antall av antimaterie partikler, fordi da signatur av materie-antimaterie ville ha blitt oppdaget.

Hvis du legger igjen en flekk av antimaterie i vår galakse, det vil vare ca 300 år før det ble ødelagt av en partikkel av saken. Denne begrensningen forteller oss at i melkeveien mengden av mørk energi kan ikke overstige en verdi av 1 for partikler i en kvadrillioner (10¹⁵), i forhold til den totale mengden av materie.

Stor skala skala av satellitt galakser, store galakser størrelsen av melkeveien og til og med klynger av galakser — begrensninger er mindre strenge, men fortsatt veldig sterk. Se avstand på flere millioner lysår til tre milliarder lysår, vi observert mangel av x-stråler og gamma stråler, noe som kan indikere utslettelse av materie og antimaterie. Selv i store kosmologiske skalaer av 99.999% av hva som finnes i vårt Univers, vil være representert ved saken (som oss), og ikke antimaterie.

Hvordan fikk vi i en slik situasjon at universet består av et stort antall spørsmål og praktisk talt ingen antimaterie, hvis lovene i naturen er perfekt symmetrisk mellom materie og antimaterie? Vel, du har to valg: enten universet ble født med en stor mengde materie enn antimaterie, eller noe som skjedde tidlig på, da universet var veldig varmt og tett, og skapte asymmetri av materie og antimaterie, som i utgangspunktet ikke var.

Den Første ideen til å teste vitenskapelig uten å gjenskape hele Universet ikke vil fungere, men den andre er svært overbevisende. Hvis vårt univers er noe opprettet asymmetri av materie og antimaterie, hvor det opprinnelig ikke var, så de regler som fungerte så forblir uendret i dag. Hvis vi er smart, vil vi være i stand til å utvikle eksperimentelle tester som kan avdekke opprinnelsen av materie i Universet vårt.

I slutten av 1960-tallet fysiker Andrei Sakharov skissert tre forutsetninger som er nødvendige for baryogenesis eller opprette mer baryons (protoner og nøytroner) enn antibaryons. Her er du:

1. universet skal være ikke-likevekt systemet.
2. det må være C - og CP-brudd.
3. Må værevekselsvirkningene, som bryter baryon antall.

Første til å observere bare på grunn av den voksende og kjøling universet med ustabile partikler (og antiparticles) er, per definisjon, vil være ute av balanse. Andre er også enkelt som C-symmetri (utskifting av partikler ved antiparticles) og CP-symmetri (skifte speilet partikler antiparticles) er krenket i mange svake interaksjoner som involverer merkelig, sjarmert og vakre kvarker.

Spørsmålet er Fortsatt å bryte baryon-nummeret. Eksperimentelt, observerte vi at balansen av antiquarks til kvarker og leptons å antileptons klart gjenstår. Men i standardmodellen for partikkelfysikk det er ingen eksplisitt bevaring lov for noen av disse variablene enkeltvis.

Du Trenger tre kvarker å gjøre et baryon, så for hver tre quark, vi tilordne baryon-nummer (B) 1. På samme måte hver motta lepton lepton-nummer (L) 1. Antiquark, antibaryon og antilepton vil ha negative tall B og L.

Men i henhold til reglene for standardmodellen er lagret kun forskjellen mellom baryons og leptons. Under de rette omstendighetene, du kan ikke bare opprette flere protoner, men også elektroner til dem. Den eksakte omstendighetene er ikke kjent, men the Big Bang har gitt dem muligheten til å bli realisert.

Den aller første stadier av eksistensen av Universet beskriver utrolig høy energi: høy nok til å lage alle kjente partikkel-og antiparticle i et stort antall på den berømte Einsteins formel E = mc². Hvis skapelse og ødeleggelse av partikler fungerer slik vi tror den tidlige universet må være fylt med en lik mengde partikler av materie og antimaterie, som gjensidig bli hverandre på grunn av energien holdt seg svært høy.

Med utvidelse og kjøling av Universet ustabile partikler, når den er laget, i overflod, vil bli ødelagt. Under riktige forhold, spesielt de tre Sakharov forhold — dette kan føre til et overskudd av saken over antimaterie, selv om det i utgangspunktet var det ikke. Utfordringen for fysikere er å skape en levedyktig scenario tilsvarende observasjoner og eksperimenter, som kan gi deg et tilstrekkelig overskudd av saken over antimaterie.

Det er tre viktigste mulighetene for forekomst av overskudd av saken over antimaterie:

• en Ny fysikk i electroweak skala kan øke antall av C - og CP-brudd i Universet, noe som vil føre til asymmetri mellom materie og antimaterie. Interaksjoner av Standard modell (gjennom prosessen med sphaleron), som bryter B og L individuelt (men holde B — L) kan angi mengder baryons og leptons.
• Ny neutrino fysikk ved høye energier, noe som tyder til oss universet, kan du opprette en grunnleggende asymmetri av leptons: leptogenys. Sphaleron at bevare B — L, og deretter kan du bruke lepton asymmetri å opprette et baryon asymmetri.
• Eller borigines omfanget av Grand forening, hvis den nye fysikk (og nye partikler) finnes i omfanget av Grand forening, når electroweak kraft fusjonerer med sterk.

Disse scenariene har felles elementer, så la oss se på det siste, bare for eksempel, for å forstå hva som kan skje.

Hvis Grand unified teori er riktig, må være ny, superheavy partikler, kalt X og Y, som har som brianpdoyle og leptonetidae egenskaper. Må også være partnere av antimaterie: anti-X og anti-Y, med motsatt tall B — L og motsatte ladninger, men samme masse og levetid. Disse parene av partikkel-antiparticle kan lages i store mengder på ganske høye energier, for senere å gå i oppløsning.

Så vi fylle Universet med dem, og så vil de gå i oppløsning. Hvis vi har C - og CP-brudd kan være små forskjeller i hvordan forfallet av partikler og antiparticles (X, Y og anti-X, anti-Y).

Hvis du har X-partikler, er det to måter: forfallet i to toppen kvarker og to anti-bunn quark og et positron, så anti-X må passere to beslektede måter: to anti-topp quark eller bunnen quark og elektron. Det er en viktig forskjell som er tillatt for overtredelse av C og CP: X kan være mer sannsynlig å forfalle til to øverste kvarker enn anti-X — to anti-topp quark, mens anti-X er mer sannsynlig å forfalle i bunnen quark og elektron, enn X — på anti-topp quark og et positron.

Hvis det er et tilstrekkelig antall par og forfall, slik at du enkelt kan få et overskudd av baryons over antibaryons (og leptons over antileptons), hvor det ikke eksisterer.

Dette er bare ett eksempel som illustrerer vår oppfatning av hva som skjedde. Vi startet med et helt symmetrisk Universet, å overholde alle kjente fysiske lover, og med en varm, tett, rik stat, fylt med materie og antimaterie i like mengder. Ved å bruke mekanismen som vi har ennå å finne ut, i henhold til de tre betingelsene for Sakharov, disse naturlige prosessene er til syvende og sist er opprettet et overskudd av saken over antimaterie.

Det faktum at vi eksisterer er laget av materie, er unektelig; spørsmålet er, hvorfor universet vårt inneholder noe (materie) og ingenting (på grunn av materie og antimaterie var like). Kanskje i dette århundre, kan vi finne svar på dette spørsmålet.

Hvorfor tror du at Universet har nesten ingen antimaterie? Fortell oss .