Вселенная наполнена чем-то, а не ничем, и ученые этого не понимают.
Когда мы смотрим на Вселенную:
- на планетах и звездах,
- в галактиках и скоплениях галактик,
- и газу, пыли и плазме, населяющим пространство между этими плотными структурами,
мы везде находим одни и те же подписи. Мы видим линии поглощения и излучения атомов, мы видим, как материя взаимодействует с другими формами материи, мы видим звездообразование и звездную смерть, столкновения, рентгеновские лучи и многое другое. Возникает очевидный вопрос, требующий объяснения: почему все это есть, а не вообще ничего? Если законы физики симметричны между материей и антиматерией, то Вселенная, которую мы видим сегодня, должна быть невозможна. И все же мы здесь, и никто не знает почему.
Подумайте об этих двух, казалось бы, противоречивых фактах:
1.) Каждое взаимодействие между частицами, которое мы когда-либо наблюдали, при всех энергиях никогда не приводило к созданию или уничтожению одной частицы материи без создания или уничтожения равного количества частиц антиматерии. Физическая симметрия между материей и антиматерией еще более строгая, чем эта:
- каждый раз, когда мы создаем кварк или лептон, мы также создаем антикварк или антилептон,
- каждый раз, когда уничтожается кварк или лептон, уничтожается и антикварк или антилептон,
- созданные или уничтоженные лептоны и антилептоны должны балансировать между каждым семейством лептонов, и
- каждый раз, когда кварк или лептон испытывает взаимодействие, столкновение или распад, общее число кварков и лептонов в конце реакции (кварки минус антикварки, лептоны минус антилептоны) одинаково в конце реакции. конец, как это было в начале.
Единственный способ изменить количество материи во Вселенной - это также изменить количество антиматерии во Вселенной на такое же количество.
И еще, вот второй факт:
2.) Когда мы смотрим на Вселенную, на все звезды, галактики, газовые облака, скопления, сверхскопления и крупномасштабные структуры повсюду, кажется, что все состоит из материи, а не из антиматерии. Где бы и когда бы антиматерия и материя ни встречались во Вселенной, происходит фантастический выброс энергии из-за аннигиляции частица-античастица.
Но мы не видим никаких признаков аннигиляции материи с антиматерией в самых больших масштабах. Мы не видим никаких доказательств того, что некоторые из звезд, галактик или планет, которые мы наблюдали, состоят из антивещества. Мы не видим характерных гамма-лучей, которые ожидали бы увидеть, если бы некоторые части антиматерии сталкивались (и аннигилировали) с частями материи. Наоборот, это материя, материя повсюду, в одном и том же изобилии, куда бы мы ни посмотрели.
Это кажется невозможным. С одной стороны, нет известного способа, учитывая частицы и их взаимодействия во Вселенной, создать больше материи, чем антиматерии. С другой стороны, все, что мы видим, определенно состоит из материи, а не из антиматерии.
Мы действительно наблюдали аннигиляцию материи и антиматерии в некоторых экстремальных астрофизических средах, но только вокруг гиперэнергетических источников, которые производят материю и антиматерию в равных количествах, таких как массивные черные дыры. Когда антиматерия сталкивается с материей во Вселенной, она испускает гамма-лучи очень специфических частот, которые мы затем можем обнаружить. Межзвездная и межгалактическая среда полна материала, и полное отсутствие этих гамма-лучей является сильным сигналом того, что нет большого количества частиц антиматерии, летающих где-либо, поскольку эта сигнатура материи/антиматерии будет проявляться.
Если вы бросите единственную частицу антиматерии в смесь нашей галактики, она просуществует всего около 300 лет, прежде чем аннигилирует с частицей материи. Это ограничение говорит нам, что в Млечном Пути количество антивещества не может превышать 1 часть на квадриллион (10¹⁵) по сравнению с общим количеством вещества.
В больших масштабах - спутниковых галактик, крупных галактик масштаба Млечного Пути и даже в масштабах скоплений галактик - ограничения менее строгие, но все же очень сильные. С наблюдениями, охватывающими расстояния от нескольких миллионов световых лет до более чем трех миллиардов световых лет, мы наблюдали нехватку рентгеновских и гамма-лучей, которые мы ожидаем от аннигиляции материи и антиматерии. Даже в больших космологических масштабах 99,999%+ того, что существует в нашей Вселенной, определенно состоит из материи (как и мы), а не из антиматерии.
Так как же мы оказались здесь сегодня, когда Вселенная состоит из большого количества материи и практически без антиматерии, если законы природы полностью симметричны между материей и антиматерией? Что ж, есть два варианта: либо Вселенная родилась с большим количеством материи, чем антиматерии, либо что-то произошло на ранней стадии, когда Вселенная была очень горячей и плотной, что создало асимметрию материи/антиматерии там, где изначально ее не было.
Эта первая идея не может быть проверена с научной точки зрения без воссоздания всей Вселенной, но вторая весьма убедительна. Если наша Вселенная каким-то образом создала асимметрию материи/антиматерии там, где ее изначально не было, то правила, которые действовали тогда, должны оставаться неизменными и сегодня. Если мы достаточно умны, мы можем разработать экспериментальные тесты, чтобы раскрыть происхождение материи в нашей Вселенной.
В конце 1960-х физик Андрей Сахаров определил три условия, необходимые для бариогенеза, или создания большего количества барионов (протонов и нейтронов), чем антибарионов. Они следующие:
- Вселенная должна быть неравновесной системой.
- Он должен иметь C- и CP-нарушение.
- Должны существовать взаимодействия, нарушающие барионное число.
Первое легко, потому что расширяющаяся, остывающая Вселенная с нестабильными частицами (и/или античастицами) в ней по определению находится вне равновесия. Со вторым тоже легко, поскольку симметрия «С» (замена частиц античастицами) и симметрия «СР» (замена частиц зеркально отраженными античастицами) нарушаются во многих слабых взаимодействиях с участием странных, очарованных и донных кварков.
Остается вопрос, как нарушить барионное число. Экспериментально мы видели, что соотношение кварков и антикварков и лептонов и антилептонов явно сохраняется. Но в Стандартной модели физики элементарных частиц нет явного закона сохранения ни для одной из этих величин по отдельности.
Для создания бариона требуется три кварка, поэтому для каждых трех кварков мы присваиваем барионное число (B), равное 1. Точно так же каждый лептон имеет лептонное число (L), равное 1. Антикварки, антибарионы, и все антилептоны имеют отрицательные числа B и L соответственно.
Но согласно Стандартной модели сохраняется только разница между барионами и лептонами, B - L. При правильных обстоятельствах вы могли бы не только создать дополнительные протоны, но и электроны, которые вам нужны, чтобы сопровождать их. Эти точные обстоятельства могут быть неизвестны, но горячий Большой Взрыв дал им возможность возникнуть.
Самые ранние стадии Вселенной описываются невероятно высокими энергиями: достаточно высокими, чтобы создать все известные частицы и античастицы в большом количестве благодаря знаменитой формуле Эйнштейна E=mc². Если рождение и уничтожение частиц происходит так, как мы думаем, ранняя Вселенная должна быть заполнена равными количествами частиц материи и антиматерии, которые взаимопревращаются друг в друга, поскольку доступная энергия остается чрезвычайно высокой.
По мере того, как Вселенная расширяется и остывает, нестабильные частицы, когда-то созданные в большом количестве, будут распадаться. При соблюдении правильных условий - в частности, три сахаровских условия - могут привести к избытку материи над антиматерией даже там, где ее изначально не было. Задачей физиков является создание жизнеспособного сценария, согласующегося с наблюдениями и экспериментами, который может дать вам достаточный избыток материи над антиматерией.
Есть три основные возможности того, как мог появиться этот избыток материи над антиматерией:
- Новая физика в электрослабом масштабе может значительно увеличить количество C- и CP-нарушения во Вселенной, что приведет к асимметрии между материей и антиматерией. Взаимодействия Стандартной модели (посредством сфалеронного процесса), которые нарушают B и L по отдельности (но при этом сохраняют B - L), могут затем генерировать нужное количество барионов и лептонов.
- Новая физика нейтрино при высоких энергиях, о которой у нас есть потрясающий намек, может на раннем этапе создать фундаментальную лептонную асимметрию: лептогенез. Сфалероны, которые сохраняют B - L, могут затем использовать эту лептонную асимметрию для создания барионной асимметрии.
- Или бариогенезис в масштабе Великого объединения, где обнаруживается, что новая физика (и новые частицы) существуют в масштабе великого объединения, где электрослабое взаимодействие объединяется с сильным взаимодействием.
Все эти сценарии имеют некоторые общие элементы, поэтому давайте рассмотрим последний, просто в качестве примера, чтобы увидеть, что могло произойти.
Если великое объединение верно, то должны быть новые, сверхтяжелые частицы, называемые X и Y, которые обладают как барионоподобными, так и лептоноподобными свойствами. Должны быть и их аналоги из антивещества: анти- X и анти- Y, с противоположные числа B - L и противоположные заряды, но одинаковые масса и время жизни. Эти пары частица-античастица могут создаваться в большом количестве при достаточно высоких энергиях, а затем распадаться в более позднее время.
Так что ваша Вселенная может быть заполнена ими, а потом они распадутся. Однако если у вас есть C- и CP-нарушение, то возможно, что есть небольшие различия между тем, как частицы и античастицы (X/ Y против анти- X/анти- Y) разлагаться.
Если ваша X-частица имеет два пути: распад на два верхних кварка или антинижний кварк и позитрон, то анти - X должен иметь два соответствующих пути: два анти-верхних кварка или нижний кварк и электрон. Обратите внимание, что X имеет B - L две трети в обоих случаях, в то время как анти- X имеет отрицательные две трети. Аналогично для частиц Y/анти- Y. Но есть одно важное отличие, допускаемое C- и CP-нарушением: X может с большей вероятностью распасться на два верхних кварка, чем анти- X должен распасться на два анти-верхних кварка, в то время как анти-X с большей вероятностью может распасться на нижний кварк и электрон, чем X должен распасться на анти-нижний кварк и позитрон.
Если хватит X/анти- X и Y/анти- Y пары, и они распадаются разрешенным образом, вы можете легко сделать избыток барионов над антибарионами (и лептонов над антилептонами) там, где его раньше не было.
Это один пример, иллюстрирующий, как мы думаем, что это должно было произойти. Мы начали с полностью симметричной Вселенной, подчиняющейся всем известным законам физики, и начали с горячего, плотного, богатого состояния, полного как материи, так и антиматерии в равных количествах. Благодаря какому-то еще не установленному механизму, который подчиняется трем условиям Сахарова, эти естественные процессы в конце концов породили избыток материи над антиматерией.
Тот факт, что мы существуем и сделаны из материи, бесспорен; вопрос о том, почему наша Вселенная содержит что-то (материю) вместо ничего (из-за равной смеси материи и антиматерии, аннигилирующей прочь), до сих пор остается без ответа. В этом столетии достижения в прецизионных электрослабых испытаниях, технологиях коллайдеров, нейтринной физике и экспериментах, выходящих за рамки Стандартной модели, имеют шанс точно показать, как это произошло. До тех пор мы можем быть уверены, что во Вселенной почти нет антивещества, но никто не знает почему.