У Всесвіті майже немає антиматерії. Чому?

Коли ми дивимося на Світ, на всі її планети і зірки, галактики і скупчення, газ, пил, плазму, ми бачимо всюди одні і ті ж сигнатури. Ми бачимо лінії атомної абсорбції і емісії, бачимо, що матерія взаємодіє з іншими формами матерії, бачимо звездообразование і смерть зірок, зіткнення, рентгенівське випромінювання і багато іншого. Є очевидний питання, що потребує пояснення: чому ми бачимо все це? Якщо закони фізики диктують симетрію між матерією і антиматерией, яку ми спостерігаємо, не повинна існувати.

Але ми тут, і ніхто не знає, чому.

Чому у Всесвіті немає антиматерії?

Подумайте про цих двох суперечливих, на перший погляд, факти:

1. Кожне взаємодія між частинками, яку ми коли-небудь спостерігали за будь-яких енергіях, ніколи не створювало і не руйнувало одну частинку матерії, не створюючи цим і не знищуючи рівну кількість частинок аниматерии. Фізична симетрія між матерією і антиматерией дуже сувора, адже:

• кожен раз, коли ми створюємо кварк або лептон, ми також створюємо антикварк і антилептон;
• кожен раз, коли кварк або лептон знищується, антикварк або антилептон також знищується;
• створені або знищені лептони і антилептоны повинні бути в балансі по всій сім'ї летпонов і кожен раз, коли кварк або лептон взаємодіють, стикаються або розпадаються, загальне число кварків і лептонів в кінці реакції (кварки мінус антикварки, лептони мінус антилептоны) має бути і буде таким же, яким був на початку.

Єдиний спосіб змінити кількість матерії у Всесвіті передбачав також зміна кількості антиматерії на таку ж величину.

І все ж, є другий факт.

2. Коли ми дивимося на Світ, на всі зірки, галактики, газові хмари, скупчення, надскупчення і великомасштабні структури, здається, ніби все це складається з матерії, а не з антиматерії. Скрізь і всюди, де антиматерія і матерія зустрічаються у Всесвіті, відбувається фантастичний викид енергії з-за анігіляції частинок.

Але ми не бачимо жодних ознак знищення речовини антиречовиною в найбільших масштабів. Ми не бачимо жодних ознак того, що деякі із зірок, галактик або планет, які ми спостерігаємо, зроблені з антиречовини. Ми не бачимо характерних гамма-променів, які слід було б очікувати побачити, якщо б антиматерія стикалася з матерією і аннигилировала. Замість цього усюди ми бачимо лише матерію, куди ні подивися.

І це здається неможливим. З одного боку, немає ніякого відомого способу зробити більше речовини, ніж антиречовини, якщо звертатися до частинок і їх взаємодії у Всесвіті. З іншого боку, все, що ми бачимо, виразно складається з речовини, а не антиречовини.

насправді, ми спостерігали анігіляцію матерії і антиматерії в деяких екстремальних астрофізичних умовах, але тільки біля гиперэнергетических джерел, які виробляють речовина і антиречовину в рівних кількостях — чорні діри, наприклад. Коли антиречовину стикається з речовиною у Всесвіті, воно виробляє гамма-промені дуже специфічних частот, які можемо виявити. Міжзоряне міжгалактична середовище сповнене матеріалу, і повна відсутність цих гамма-променів є сильним сигналом про те, що ніколи більше немає великої кількості частинок антиматерії, оскільки тоді сигнатура матерії-антиматерії була б виявлена.

Якщо ви кинете одну частинку антиматерії в нашу галактику, вона проіснує близько 300 років, перш ніж буде знищена частинкою матерії. Це обмеження говорить нам, що в Чумацькому Шляху кількість антиматерії не може перевищувати значення 1 частинки на квадрильйон (10¹⁵) відносно загальної кількості матерії.

На великих масштабах — масштабах супутникових галактик, великих галактик розміру Чумацького Шляху і навіть скупчень галактик — обмеження менш суворі, але все ж дуже сильні. Спостерігаючи відстані від декількох мільйонів світлових років до трьох мільярдів світлових років, ми спостерігали недолік рентгенівських і гамма-променів, які могли б вказувати на анігіляцію матерії і антиматерії. Навіть у великих космологічних масштабах 99,999% того, що існує у Всесвіті, безумовно, буде представлено матерією (як ми), а не антиматерией.

Як же ми опинилися в такій ситуації, що Всесвіт складається з великої кількості матерії і практично не містить антиматерії, якщо закони природи абсолютно симетричні між матерією і антиматерией? Що ж, є два варіанти: або Всесвіт була народжена з великою кількістю матерії, ніж антиматерії, або щось сталося на ранній стадії, коли Всесвіт була дуже гарячою і щільною, і породило асиметрію матерії і антиматерії, якої спочатку не було.

Першу ідею перевірити науково без відтворення цілої Всесвіту не вийде, але друга вельми переконлива. Якщо наша Всесвіт якимось чином створила асиметрію матерії і антиматерії там, де спочатку її не було, то правила, які працювали тоді, залишаться незмінними і сьогодні. Якщо ми досить розумні, ми зможемо розробити експериментальні тести, які розкривають походження матерії у Всесвіті.

В кінці 1960-х років фізик Андрій Сахаров визначив три умови, необхідні для бариогенеза або створення більшої кількості баріонів (протонів і нейтронів), ніж антибарионов. Ось вони:

1. Всесвіт повинна бути нерівноважною системою.
2. У ній повинні бути C - і CP-порушення.
3. Повинні бутивзаємодії, що порушують барионное число.

Перше дотримати просто, оскільки розширюється і остигає Всесвіт з нестабільними частками в ній (і античастицами), за визначенням, буде поза рівноваги. Друге теж просто, оскільки C-симетрія (заміна часток античастицами) і CP-симетрії (заміна часток дзеркально відображеними античастицами) порушуються в безлічі слабких взаємодій за участю дивних, зачарованих і прекрасних кварків.

Залишається питання, як порушити барионное число. Експериментально ми спостерігали, що баланс кварків до антикваркам і лептонів до антилептонам явно зберігається. Але в Стандартній моделі фізики елементарних частинок, не існує явної закону збереження ні для однієї з цих величин окремо.

Треба три кварка, щоб зробити баріон, тому на кожні три кварка ми призначаємо барионное число (B) 1. Точно так само кожен лептон отримає лептонное число (L) 1. Антикварки, антибарионы і антилептоны будуть мати від'ємні числа B і L.

Але за правилами Стандартної моделі зберігається тільки різниця між баріонів і лептонами. При правильних обставин ви можете не тільки створювати додаткові протони, але і електрони до них. Точні обставини невідомі, але Великий Вибух дав їм можливість реалізуватися.

перші етапи існування Всесвіту описуються неймовірно високими енергіями: досить високими, щоб створити кожну відому частку і античастицу у великій кількості по знаменитій формулі Ейнштейна E = mc². Якщо створення і знищення частинок працює так, як ми думаємо, рання Всесвіт повинна була бути заповненою рівною кількістю частинок матерії і антиматерії, які взаємно перетворюються один в одного, оскільки доступна енергія залишалася надзвичайно високою.

У міру розширення й охолодження Всесвіту нестабільні частинки, одного разу створені в достатку, будуть руйнуватися. При дотриманні правильних умов — зокрема, трьох умов Цукрів — це може призвести до надлишку речовини над антиречовиною, навіть якщо спочатку його не було. Завдання для фізиків — створити життєздатний сценарій, відповідний спостережень і експериментів, який може дати вам достатній надлишок речовини над антиречовиною.

Існує три основні можливості виникнення цього надлишку речовини над антиречовиною:

• Нова фізика в электрослабом масштабі може значно збільшити кількість C - і CP-порушення у Всесвіті, що призведе до асиметрії між речовиною і антиречовиною. Взаємодії Стандартної моделі (через процес сфалерона), які порушують B і L індивідуально (але зберігають B — L), можуть створити потрібні обсяги баріонів і лептонів.
• Нова фізика нейтрино при високих енергіях, на яку натякає нам всесвіт, могла б створити фундаментальну асиметрію лептонів: лептогенез. Сфалероны, що зберігають B — L, потім могли б використовувати лептонну асиметрію для створення баріонної асиметрії.
• бариогенез в масштабах теорії великого об'єднання, якщо нова фізика (і нові частинки) перебувають у масштабах великого об'єднання, коли электрослабая сила об'єднується із сильною.

У цих сценаріїв є загальні елементи, тому давайте розглянемо останній з них, просто заради прикладу, щоб зрозуміти, що могло статися.

Якщо теорія великого об'єднання вірна, повинні бути нові, надважкі частинки, звані X і Y, які мають як барионоподобными, так і лептоноподобными властивостями. Також повинні бути їх партнери з антиматерії: анти-X і анти-Y, з протилежними числами B — L і протилежними зарядами, але з однією масою і часом життя. Ці пари частинка-античастинка можуть бути створені у великій кількості при досить високих енергіях, щоб згодом розпастися.

Отже, ми наповнюємо Всесвіт ними, а потім вони розпадаються. Якщо ж у нас є C - і CP-порушення, можливо, будуть невеликі відмінності у тому, як розпадаються частинки і античастки (X, Y і анти-X, anti-Y).

Якщо у X-частинки є два шляхи: розпад на два верхніх кварка або на два анти-нижніх кварка і позитрон, тоді anti-X має пройти два відповідних шляхи: два анти-верхніх кварка або нижній кварк і електрон. Є важлива відмінність, яка допускається при порушенні C - і CP: X може з більшою ймовірністю розпастися на два верхніх кварка, ніж анти-X — на два анти-верхніх кварка, тоді як анти-X з більшою ймовірністю розпадеться на нижній кварк і електрон, ніж X — на анти-верхній кварк і позитрон.

При наявності достатнього числа пар і розпаду таким чином, ви зможете легко отримати надлишок баріонів над антибарионами (і лептонів над антилептонами), де його раніше не було.

Це лише один приклад, що ілюструє наше уявлення про те, що сталося. Ми почали з повністю симетричною Всесвіту, підкоряється всім відомим законам фізики, і з гарячого, щільного, багатого стану, наповненого матерією і антиматерией в рівних кількостях. За допомогою механізму, який нам ще належить визначити, який підпорядковується трьом умовам Сахарова, ці природні процеси в кінцевому підсумку створили надлишок речовини над антиречовиною.

Той факт, що ми існуємо і складається з матерії, незаперечний; питання в тому, чому наш Всесвіт містить щось (матерію), а не нічого (адже речовини і антиречовини було порівну). Можливо, в цьому столітті ми знайдемо відповідь на це питання.

Як думаєте, чому у Всесвіті майже немає антиречовини? Розкажіть .