När vi ser på universum, på alla dess planeter och stjärnor, galaxer och kluster, gas, damm, plasma, ser vi samma signaturer överallt. Vi ser linjer med atomabsorption och emission, vi ser att materie interagerar med andra former av materia, vi ser stjärnbildning och död av stjärnor, kollisioner, röntgenstrålar och mycket mer. Det finns en uppenbar fråga som kräver förklaring: varför ser vi allt detta? Om fysiklagarna dikterar symmetri mellan materia och antimateria, bör universum vi observerar inte existera.
Men vi är här och ingen vet varför.
Varför finns det ingen antimateria i universum?
Tänk på dessa två till synes motstridiga fakta:
- varje gång vi skapar en kvark eller lepton, skapar vi också en antikvark och antilepton;
- varje gång en kvark eller lepton förstörs förstörs också en antikvark eller antilepton;
- skapade eller förstörda leptoner och antileptoner måste vara i balans i hela sommarponfamiljen, och varje gång en kvark eller lepton interagerar, kolliderar eller sönderfaller och ska det totala antalet kvarkar och leptoner i slutet av reaktionen (kvark minus antikviteter, leptoner minus antileptoner) samma som det var i början.
Det enda sättet att ändra mängden materia i universum var också att ändra mängden antimateria med samma mängd.
Och ändå finns det ett andra faktum.
Men vi ser inte några tecken på förstörelse av materien av antimateria i största skala. Vi ser inga tecken på att några av stjärnorna, galaxerna eller planeterna vi observerar är gjorda av antimateria. Vi ser inte de karakteristiska gammastrålarna som man kan förvänta sig att se om antimateria kolliderade med materien och förstördes. Istället ser vi bara materia överallt där vi tittar.
Kampanjvideo:
Och det verkar omöjligt. Å ena sidan finns det inget känt sätt att göra mer materia än antimateria genom att titta på partiklar och deras interaktioner i universum. Å andra sidan är allt vi ser definitivt gjord av materia, inte antimateria.
Vi har faktiskt observerat förintelsen av materia och antimateria under vissa extrema astrofysiska förhållanden, men bara nära hypergenergiska källor som producerar materia och antimateria i lika stora mängder - till exempel svarta hål. När antimateria kolliderar med materien i universumet producerar det gammastrålar med mycket specifika frekvenser, som vi sedan kan upptäcka. Det interstellära intergalaktiska mediet är fullt av material, och den fullständiga frånvaron av dessa gammastrålar är en stark signal om att det aldrig kommer att finnas mycket fler antimateriella partiklar, eftersom signaturen av antimateria-material då skulle upptäckas.
Om du kastar en partikel av antimateria i vår galax kommer den att pågå ungefär 300 år innan den förstörs av en partikel av materia. Denna begränsning säger att mängden antimateria i Vintergatan inte kan överstiga 1 partikel per kvadrillion (1015), relativt den totala mängden materia.
I stor skala - omfattningen av satellitgalaxer, stora galaxer på storleken på Vintergatan och till och med kluster av galaxer - är begränsningarna mindre stränga, men fortfarande mycket starka. Genom att observera avstånd från några miljoner ljusår till tre miljarder ljusår har vi observerat en brist på röntgenstrålar och gammastrålar som kan indikera förintelse av materia och antimateria. Till och med i en stor kosmologisk skala kommer 99.999% av vad som finns i vårt universum definitivt att representeras av materia (som vi är) och inte antimateria.
Hur hamnade vi i en sådan situation att universum består av en stor mängd materia och praktiskt taget inte innehåller antimateria, om naturlagarna är absolut symmetriska mellan materia och antimateria? Det finns två alternativ: antingen universum föddes med mer materia än antimateria, eller så hände något på ett tidigt skede, då universum var väldigt hett och tätt, och gav upphov till en asymmetri av materia och antimateria, som ursprungligen inte fanns.
Den första idén kan inte testas vetenskapligt utan att återskapa hela universum, men den andra är mycket övertygande. Om vårt universum på något sätt skapade en asymmetri av materia och antimateria där det inte ursprungligen var, så kommer reglerna som fungerade då att förbli oförändrade idag. Om vi är tillräckligt smarta kan vi utveckla experimentella test som avslöjar materiens ursprung i vårt universum.
I slutet av 1960-talet identifierade fysikern Andrei Sakharov tre villkor som krävs för baryogenes, eller skapandet av fler baryoner (protoner och neutroner) än antibaryoner. Här är de:
- Universum måste vara ett icke-quilibrium system.
- Det måste ha en C- och CP-överträdelse.
- Det måste finnas interaktioner som strider mot baryonumret.
Den första är lätt att observera, eftersom ett expanderande och kylande universum med instabila partiklar i det (och antipartiklar) per definition kommer att vara ur jämvikt. Den andra är också enkel, eftersom C-symmetri (ersätta partiklar med antipartiklar) och CP-symmetri (ersätta partiklar med speciellt reflekterade antipartiklar) bryts i många svaga interaktioner som involverar konstiga, charmade och vackra kvarkar.
Frågan återstår hur man bryter baryonnumret. Vi har experimentellt observerat att balansen mellan kvarkar och antikvarker och leptoner till antileptoner är tydligt bevarade. Men i standardmodellen för partikelfysik finns det ingen uttrycklig bevarandelagar för någon av dessa kvantiteter separat.
Det tar tre kvarkar för att skapa en baryon, så för varje tre kvarkar tilldelar vi ett baryonnummer (B) 1. På samma sätt kommer varje lepton att få ett leptonnummer (L) 1. Antikviteter, antibaryoner och antileptoner kommer att ha negativa B- och L-nummer.
Men enligt reglerna i standardmodellen återstår bara skillnaden mellan baryoner och leptoner. Under rätt omständigheter kan du inte bara skapa ytterligare protoner, utan också elektroner till dem. De exakta omständigheterna är okända, men Big Bang gav dem möjlighet att bli realiserade.
De allra första stadierna av universums existens beskrivs av otroligt höga energier: tillräckligt höga för att skapa varje känd partikel och antipartikel i stora mängder enligt Einsteins berömda formel E = mc2. Om partikelskapande och förstörelse fungerar som vi tror det är det tidiga universumet måste fyllas med ett lika antal ämnen och antimateriella partiklar som ömsesidigt förvandlas till varandra, eftersom den tillgängliga energin förblev extremt hög.
När universum expanderar och svalnar, kommer instabila partiklar, en gång skapade i överflöd, att kollapsa. Om de rätta villkoren är uppfyllda - i synnerhet de tre villkoren för sockerarter - kan detta leda till ett överskott av materia över antimateria, även om det ursprungligen inte fanns något. Utmaningen för fysiker är att skapa ett livskraftigt scenario, i överensstämmelse med observation och experiment, som kan ge dig tillräckligt med överskott än antimateria.
Det finns tre huvudmöjligheter för detta överskott av materia jämfört med antimateria:
- Ny fysik på elektrovågsskalan kan avsevärt öka mängden C- och CP-kränkningar i universum, vilket kommer att leda till asymmetri mellan materia och antimateria. SM-interaktioner (via sfaleronprocessen) som bryter mot B och L individuellt (men bibehåller B - L) kan skapa önskade volymer baryoner och leptoner.
- Den nya neutrinofysiken med hög energi som universum antyder på skulle kunna skapa en grundläggande asymmetri av leptoner: leptogenes. Sphalerons som bevarar B-L kan sedan använda leptonasymmetri för att skapa baryonasymmetri.
- Eller baryogenesis på den stora enhetsskalan, om den nya fysiken (och de nya partiklarna) existerar på den stora enhetsskalan, när elektrockkraften kombineras med den starka.
Dessa scenarier har vanliga element, så låt oss ta en titt på den sista, bara för exempel, för att förstå vad som kan ha hänt.
Om den stora enhetsteorin är korrekt, måste det finnas nya, superheavy partiklar som kallas X och Y som har både baryon-liknande och lepton-liknande egenskaper. Det borde också finnas deras partners från antimateria: anti-X och anti-Y, med motsatta B-L-nummer och motsatta laddningar, men med samma massa och livstid. Dessa partikel-antipartikelpar kan skapas i stora mängder vid energier som är tillräckligt höga för att därefter förfalla.
Så vi fyller universum med dem, och sedan sönderdelas de. Om vi har C- och CP-kränkningar kan det finnas små skillnader i hur partiklar och antipartiklar (X, Y och anti-X, anti-Y) förfaller.
Om X-partikeln har två vägar: sönderfall i två upp-kvarkar eller i två anti-down-kvarkar och en positron, måste anti-X gå två motsvarande banor: två anti-up-quarks eller en down-quark och en elektron. Det är en viktig skillnad som är tillåtet när C- och CP bryts: X är mer benägna att förfalla till två upp kvarkar än anti-X till två anti-upp kvarkar, medan anti-X är mer benägna att sönderfalla till ner kvark och en elektron än X - till en anti-up quark och en positron.
Om du har tillräckligt med par och förfall på detta sätt kan du enkelt få ett överskott av baryoner över antibaryoner (och leptoner över antilepton) där det inte fanns någon tidigare.
Detta är bara ett exempel för att illustrera vår förståelse av vad som hände. Vi började med ett helt symmetriskt universum och följde alla kända fysiklagar och med ett hett, tätt, rikt tillstånd fylld med materia och antimateria i lika stora mängder. Genom en mekanism som vi ännu inte har fastställt, följt Sakharovs tre villkor, skapade dessa naturliga processer i slutändan ett överskott av materia jämfört med antimateria.
Det faktum att vi existerar och är gjorda av materia är obestridligt; frågan är varför vårt universum innehåller något (materia) och inte ingenting (trots allt var materia och antimatter lika uppdelade). Kanske kommer vi i detta århundrade att hitta svaret på denna fråga.
Ilya Khel