Universum har nästan ingen antimateria. Varför?

När vi ser på Universum, alla planeter och stjärnor, galaxer och kluster, gas, damm, plasma, vi ser överallt samma signatur. Vi ser en rad av atomic absorption och emission, ser vi att fråga interagerar med andra former av materia, som vi se hur stjärnor bildas och död av stjärnor, kollisioner, x-strålar, och mer. Det är en uppenbar fråga som kräver en förklaring: varför är det vi ser allt detta? Om fysikens lagar diktera symmetri mellan materia och antimateria, som vi ser, får inte finnas.

Men vi är här och ingen vet varför.

Varför i hela Universum finns ingen antimateria?

Tänk på dessa två motstridiga vid första anblicken, fakta:

1. för Varje växelverkan mellan partiklar, som vi någonsin sett i någon energi aldrig skapas och inte förstöra en partikel av materia, utan att skapa eller förstöra ett lika stort antal partiklar av animalerie. Fysisk symmetri mellan materia och antimateria är mycket strikt, eftersom:

• varje gång vi skapar en kvark eller en lepton, vi skapar också antikvark och antilepton;
• varje gång en kvark eller lepton är förstört, antikvark eller antilepton också förstöras.
• - skapas eller förstöras leptoner och antileptons måste vara i balans för hela familjen Leonov och varje gång kvarkar och leptoner interagera, kolliderar, eller bryta isär, och det totala antalet kvarkar och leptoner i slutet av reaktion (minus antikvark kvarkar, leptoner minus antileptons) bör vara samma som den var i början.

Det Enda sättet att ändra mängden materia i Universum innebär också en förändring i mängden av antimateria i samma belopp.

Och ändå, det är ett andra faktum.

2. När vi ser på Universum, alla stjärnor, galaxer, gasmoln, kluster, superclusters och storskaliga struktur, det verkar som att allt är gjort av materia och inte antimateria. Överallt, där antimateria och materia möts i Universum, är ett fantastiskt frigörande av energi på grund av partikel förintelse.

Men vi ser inga tecken på förstörelsen av materia och antimateria i stor skala. Vi ser inga tecken på att några av de stjärnor, galaxer eller planeter som vi ser är gjorda av antimateria. Vi vill inte se de karakteristiska gamma-strålar som man skulle förvänta sig att se om antimateria inför frågan och förinta. Istället, överallt ser vi bara fråga vart du ser.

Och det verkar omöjligt. Å ena sidan, det finns inga kända sätt att göra det mer materia än antimateria, om vi vänder oss till partiklar och deras interaktioner i Universum. Å andra sidan, allt som vi ser, definitivt består av materia och inte antimateria.

I själva verket konstaterade vi i annihilation av materia och antimateria i vissa extrema astrophysical villkor, men bara nära giperarifmeticheskie källor som producerar materia och antimateria i lika stora mängder svart hål, till exempel. När antimateria kolliderar med materia i Universum, den producerar gamma strålar av mycket specifika frekvenser, som sedan upptäcks. Interstellära intergalaktiska miljö är full av material, och total avsaknad av dessa gammastrålning är en stark signal om att ingen längre har ett stort antal partiklar antimateria, för då undertecknandet av materia-antimateria skulle ha upptäckts.

Om du lämnar en liten fläck av antimateria i vår galax, det kommer att pågå i ungefär 300 år innan den förstörs av en partikel av materia. Denna begränsning berättar att i vintergatan mängden av mörk energi inte överstiga värdet 1 för partiklar i en kvadriljon (10¹⁵), i förhållande till den totala mängden av materia.

Stor skala skala av satellit-galaxer, stora galaxer storleken av vintergatan och även kluster av galaxer — begränsningar är mindre strikta, men ändå mycket stark. Titta på den sträcka av flera miljoner ljusår till tre miljarder ljusår, vi observerade bristen på röntgen och gammastrålning, vilket kan tyda på annihilation av materia och antimateria. Även i stora kosmologiska skalor 99,999% av det som finns i vårt Universum, skulle representeras av materia (som vi), och inte antimateria.

Så gjorde vi få i en sådan situation att universum består av ett stort antal av materia och praktiskt taget ingen antimateria, om naturens lagar är helt symmetrisk mellan materia och antimateria? Tja, har du två alternativ: antingen att universum föddes med en stor mängd av materia än antimateria, eller något som hände i början, när universum var mycket varm och tät, och skapade den asymmetri av materia och antimateria, som till en början var det inte.

Den Första idén att testa vetenskapligt, utan att återskapa hela Universum kommer inte att fungera, men det andra är mycket övertygande. Om vårt universum är på något sätt har skapat en obalans materia och antimateria, där det ursprungligen inte var, då de regler som arbetade sedan kvar oförändrad i dag. Om vi är smarta, vi kommer att kunna utveckla experimentella tester som avslöjar ursprunget av materia i Universum.

I slutet av 1960-talet fysikern Andrej Sacharov som beskrivs tre villkor som är nödvändiga för baryogenes eller skapa mer baryons (protoner och neutroner) än antibaryons. Här är de:

1. för universum bör vara icke-jämvikt i systemet.
2. - det måste vara C - och CP-brott.
3. Måste varainteraktioner som bryter mot den baryontal.

Första att iaktta helt enkelt på grund av den växande och kyla universum med instabila partiklar (och antipartiklarna) är, per definition, kommer att vara ur balans. Andra är också enkelt som C-symmetri (utbyte av partiklar av antipartiklarna) och CP-symmetrin (ersätter speglade partiklar antipartiklarna) kränks i många svaga interaktioner där konstiga, charmade och vacker kvarkar.

Frågan är Fortfarande bryter mot baryontal. Experimentellt konstaterade vi att balansen i antikvarkarna att kvarkar och leptoner att antileptons fortfarande är klart. Men i standardmodellen för partikelfysik det finns ingen explicit konserveringslagen för någon av dessa variabler var för sig.

Du Behöver tre kvarkar för att göra en baryon, så för varje tre kesella, vi tilldela baryontal B) 1. På samma sätt, alla får lepton leptontal (L) 1. Antikvark, antibaryon och antilepton kommer att ha negativa tal B och L.

Men enligt reglerna i standardmodellen lagras endast skillnaden mellan baryons och leptoner. Under rätt omständigheter, kan du inte bara skapa ytterligare protoner, men också elektroner till dem. De exakta omständigheterna är okänd, men i Big Bang har gett dem möjlighet att förverkligas.

Den allra första stadierna av förekomsten av Universum beskriver den otroligt höga energi: tillräckligt hög för att skapa varje känd partikel och antipartikel i ett stort antal på Einsteins berömda formel E = mc². Om skapande och förstörelse av partiklar fungerar på det sättet som vi tror att det tidiga universum måste vara fylld med en lika stor mängd partiklar av materia och antimateria, som ömsesidigt bli varandra på grund av den energi som varit extremt höga.

I och med utbyggnaden och kylning av Universum instabila partiklar, när de har skapats, i överflöd, kommer att förstöras. Under rätt förutsättningar — i synnerhet de tre Tidigare förhållanden — detta kan leda till ett överskott av materia än antimateria, även om det inledningsvis var det inte. Utmaningen för forskare är att skapa en livskraftig scenario motsvarande observationer och experiment, som kan ge ett tillräckligt överskott av materia än antimateria.

Det finns tre huvudsakliga möjligheter för förekomst av överskott av materia än antimateria:

• en Ny fysik i electroweak skala kan avsevärt öka antalet C - och CP-brottet i Universum, vilket kommer att leda till en asymmetri mellan materia och antimateria. Interaktioner av Standard modell (genom processen av sphaleron), som strider mot B och L var för sig (men håll B — L) kan ställa in mängder av baryons och leptoner.
• Nya neutrino fysik vid höga energier, vilket tyder på oss universum, kan du skapa en grundläggande asymmetri av leptoner: leptogenys. Sphaleron att bevara B — L, och sedan kunde använda för lepton asymmetri för att skapa en baryon asymmetri.
• Eller borigines omfattningen av Grand enande, om den nya fysiken (och nya partiklar) finns i omfattningen av Grand enande, när electroweak kraft går samman med den starka.

Dessa scenarier har gemensamma element, så låt oss titta på den sista, bara som ett exempel, för att förstå vad som kan hända.

Om Grand unified theory är korrekt, måste vara nytt, superheavy partiklar, som kallas X och Y, som har som brianpdoyle och leptonetidae egenskaper. Måste också vara partner av antimateria: anti-X och anti-Y, med motsatt tal B — L och motsatta laddningar men samma vikt och livslängd. Dessa par av partikel-antipartikel kan skapas i stora mängder på relativt höga energier, för att därefter upplösas.

Så vi fylla Universum med dem, och då de upplöses. Om vi har C - och CP-brottet kan vara mindre skillnader i hur sönderfallet av partiklar och antipartiklarna (X, Y och anti-X, anti-Y).

Om du har X-partiklar finns det två sätt: sönderfaller i två översta kvarkar och två anti-ner kesella och en positron, då anti-X måste passera två sätt: två anti-toppkvarken eller ner kesella och elektron. Det är en viktig skillnad som är tillåtna för kränkning av C och CP: X kan vara mer benägna att förfalla till två kvarkar än anti-X — två anti-toppkvarken, medan anti-X är mer benägna att förfalla till längst ner kesella och elektron, än X — on anti-top-kvark och en positron.

Om det finns ett tillräckligt antal par och förfall så att du lätt kan få ett överskott av baryons över antibaryons (och leptoner över antileptons), där det inte existerar.

Detta är bara ett exempel som illustrerar vår uppfattning av vad som hänt. Vi började med en helt symmetrisk Universum, att följa alla kända lagar av fysik, och med en varm, tät, rik stat, fylld med materia och antimateria i lika stora mängder. Med hjälp av den mekanism som vi har ännu inte avgöra, under förutsättning att de tre villkor av Sacharov, dessa naturliga processer är i slutändan skapat ett överskott av materia än antimateria.

Det faktum att vi existerar är gjord av materia, är obestridligt, frågan är, varför vårt universum innehåller något (fråga) och ingenting (på grund av materia och antimateria skulle vara lika). Kanske i detta århundrade har vi finna svaret på denna fråga.

Varför tror du att Universum har nästan ingen antimateria? Berätta för oss .