Když se podíváme na vesmír, na všechny jeho planety a hvězdy, galaxie a shluky, plyn, prach, plazmu, vidíme všude stejné podpisy. Vidíme linie atomové absorpce a emise, vidíme, že hmota interaguje s jinými formami hmoty, vidíme tvorbu hvězd a smrt hvězd, srážky, rentgenové paprsky a mnohem více. Je zřejmá otázka, která vyžaduje vysvětlení: proč to všechno vidíme? Pokud zákony fyziky diktují symetrii mezi hmotou a antihmotou, vesmír, který sledujeme, by neměl existovat.
Ale jsme tu a nikdo neví proč.
Proč ve vesmíru není antihmota?
Zamyslete se nad těmito dvěma zdánlivě protichůdnými fakty:
- pokaždé, když vytváříme kvark nebo lepton, vytváříme také antikvark a antilepton;
- pokaždé, když je zničen kvark nebo lepton, je také zničen antikvark nebo antilepton;
- vytvořené nebo zničené leptony a antileptony musí být v rovnováze napříč celou rodinou letounů a pokaždé, když kvark nebo lepton interagují, srazí se nebo se rozpadnou, celkový počet kvarků a leptonů na konci reakce (kvarky minus antikarky, lepton minus antileptony) by měl a bude stejně jako na začátku.
Jediným způsobem, jak změnit množství hmoty ve vesmíru, bylo také změnit množství antihmoty o stejné množství.
A přesto je tu druhá skutečnost.
Nevidíme však žádné známky destrukce hmoty antihmotou v největším měřítku. Nevidíme žádné známky toho, že některé z hvězd, galaxií nebo planet, které pozorujeme, jsou vyrobeny z antihmoty. Nevidíme charakteristické paprsky gama, které by člověk očekával, kdyby antihmota narazila do hmoty a zničila. Místo toho vidíme jen hmotu všude, kam se podíváme.
Propagační video:
A zdá se to nemožné. Na jedné straně neexistuje žádný známý způsob, jak vyrobit více hmoty než antihmotu při pohledu na částice a jejich interakce ve vesmíru. Na druhou stranu vše, co vidíme, je rozhodně vyrobeno z hmoty, nikoli z antihmoty.
Ve skutečnosti jsme pozorovali ničení hmoty a antihmoty za extrémních astrofyzikálních podmínek, ale pouze poblíž hyperenergetických zdrojů, které produkují látku a antihmotu ve stejném množství - například černé díry. Když antihmota narazí na hmotu ve vesmíru, vytvoří gama paprsky velmi specifických frekvencí, které pak můžeme detekovat. Mezihvězdné intergalaktické médium je plné materiálu a úplná absence těchto paprsků gama je silným signálem, že nikdy nebude existovat mnohem více antihmotných částic, protože by pak byl objeven podpis antihmoty.
Pokud hodíte jednu část antihmoty do naší galaxie, bude trvat asi 300 let, než bude zničena částicí hmoty. Toto omezení nám říká, že množství antihmoty v Mléčné dráze nemůže překročit 1 částici na kvadrilion (1015), vzhledem k celkovému množství hmoty.
Ve velkém měřítku - měřítko satelitních galaxií, velké galaxie velikosti Mléčné dráhy a dokonce i shluky galaxií - jsou omezení méně přísná, ale stále velmi silná. Při pozorování vzdáleností od několika milionů světelných let do tří miliard světelných let jsme pozorovali nedostatek rentgenových a gama paprsků, který by mohl naznačovat zničení hmoty a antihmoty. Dokonce i ve velkém kosmologickém měřítku bude 99,999% toho, co existuje v našem vesmíru, určitě představováno hmotou (jako jsme my) a nikoli antihmotou.
Jak jsme se ocitli v takové situaci, že vesmír se skládá z velkého množství hmoty a prakticky neobsahuje antihmotu, pokud jsou zákony přírody absolutně symetrické mezi hmotou a antihmotou? Existují dvě možnosti: buď se vesmír narodil s více hmotou než antihmotou, nebo se něco stalo v rané fázi, kdy byl vesmír velmi horký a hustý, a vznikl asymetrie hmoty a antihmoty, která původně neexistovala.
První myšlenka nemůže být vědecky testována bez obnovení celého vesmíru, ale druhá je velmi přesvědčivá. Pokud by náš vesmír nějak vytvořil asymetrii hmoty a antihmoty, kde to původně nebylo, pak pravidla, která fungovala, zůstanou dnes nezměněna. Pokud jsme dostatečně chytří, můžeme vyvinout experimentální testy, které odhalí původ hmoty v našem vesmíru.
Koncem šedesátých let fyzik Andrei Sakharov identifikoval tři podmínky potřebné pro baryogenezi nebo vytvoření více baryonů (protonů a neutronů) než antibaryonů. Zde jsou:
- Vesmír musí být nerovnovážný systém.
- Musí mít porušení C a CP.
- Musí existovat interakce, které porušují baryonové číslo.
První je snadno pozorovatelný, protože rozšiřující se a ochlazující vesmír s nestabilními částicemi v něm (a antičásticemi) bude podle definice mimo rovnováhu. Druhá je také jednoduchá, protože C-symetrie (nahrazující částice antičásticemi) a CP-symetrie (nahrazující částice zrcadlově odrazenými antičásticemi) je narušena v mnoha slabých interakcích zahrnujících podivné, okouzlené a krásné kvarky.
Otázkou zůstává, jak rozbít číslo baryonu. Experimentálně jsme pozorovali, že rovnováha kvarků se starožitnostmi a leptony a antileptony je jasně zachována. Ve standardním modelu fyziky částic však neexistuje výslovný zákon zachování pro žádné z těchto množství samostatně.
Výroba baryonu vyžaduje tři kvarky, takže pro každé tři kvarky přidělíme baryonové číslo (B) 1. Podobně každý lepton dostane leptonové číslo (L) 1. Antiquark, antibaryony a antileptony budou mít záporná čísla B a L.
Ale podle pravidel standardního modelu zůstává pouze rozdíl mezi baryony a leptony. Za správných okolností můžete nejen vytvořit další protony, ale i elektrony k nim. Přesné okolnosti nejsou známy, ale Velký třesk jim dal příležitost k realizaci.
Úplně první fáze existence vesmíru jsou popsány neuvěřitelně vysokými energiemi: dost vysoká na to, aby vytvořila každou známou částici a antičástici ve velkém množství podle Einsteinova slavného vzorce E = mc2. Pokud by tvorba a ničení částic fungovalo tak, jak si myslíme, bylo by nutné zaplnit raný vesmír stejným počtem částic hmoty a antihmoty, které se navzájem transformovaly, protože dostupná energie zůstala extrémně vysoká.
Jak se vesmír rozšiřuje a ochlazuje, nestabilní částice, jakmile byly vytvořeny v hojnosti, se zhroutí. Pokud jsou splněny správné podmínky - zejména tři podmínky cukrů -, může to vést k nadbytku hmoty nad antihmotou, i když původně neexistovaly. Výzva pro fyziky je vytvořit životaschopný scénář v souladu s pozorováním a experimentováním, který vám dá dostatek nadbytečné hmoty nad antihmotou.
Existují tři hlavní možnosti tohoto přebytku hmoty nad antihmotou:
- Nová fyzika na elektroslabém měřítku by mohla výrazně zvýšit množství porušení C a CP ve vesmíru, což povede k asymetrii mezi hmotou a antihmotou. Interakce SM (pomocí sphaleronového procesu), které jednotlivě porušují B a L (ale zachovávají B - L), mohou vytvářet požadované objemy baryonů a leptonů.
- Nová vysokoenergetická neutrinová fyzika, na kterou vesmír poukazuje, by mohla vytvořit základní asymetrii leptonů: leptogenezi. Sphalerony chránící B - L by pak mohly použít leptonovou asymetrii k vytvoření baryonové asymetrie.
- Nebo baryogeneze v měřítku velkého sjednocení, pokud nová fyzika (a nové částice) existují v měřítku velkého sjednocení, když je elektroslabá síla kombinována se silnou.
Tyto scénáře mají společné prvky, takže se podívejme na poslední, abychom například pochopili, co se mohlo stát.
Pokud je teorie velkého sjednocení správná, musí existovat nové superheavy částice zvané X a Y, které mají vlastnosti podobné baryonům i leptonům. Měli by také být jejich partneři z antihmoty: anti-X a anti-Y, s opačnými čísly B - L a opačnými náboji, ale se stejnou hmotností a životností. Tyto páry částic a antičástic mohou být vytvořeny ve velkých množstvích při energiích dostatečně vysokých, aby se následně rozpadly.
Naplňujeme tedy vesmír vesmírem a pak se rozpadají. Pokud máme porušení C a CP, mohou existovat malé rozdíly v tom, jak se částice a antičástice (X, Y a anti-X, anti-Y) rozkládají.
Pokud má částice X dvě cesty: rozpadá se na dva kvarky nahoru nebo na dva kvarky proti dolů a pozitron, pak musí anti-X projít dvěma odpovídajícími cestami: dvěma kvarky proti vzestupu nebo kvark dolů a elektron. Je důležitý rozdíl, který je povolen, když jsou zlomeny C- a CP: X může být pravděpodobnější, že se rozpadne na dva kvarky nahoru než anti-X na dva kvarky anti-up, zatímco anti-X je pravděpodobnější, že se rozpadne na down kvark a elektron než X - na anti-up kvark a pozitron.
Pokud máte tímto způsobem dostatek párů a rozpadů, můžete snadno získat přebytek baryonů nad antibaryony (a leptony nad antileptony), kde předtím žádný nebyl.
Toto je pouze jeden příklad, který ilustruje naše chápání toho, co se stalo. Začali jsme s úplně symetrickým vesmírem, řídili jsme se všemi známými fyzikálními zákony a horkým, hustým, bohatým stavem naplněným hmotou a antihmotou ve stejném množství. Prostřednictvím mechanismu, který musíme ještě určit, dodržujíc tři Sacharovovy tři podmínky, tyto přírodní procesy nakonec vytvořily přebytek hmoty nad antihmotou.
Skutečnost, že jsme a jsou vyrobeni z hmoty, je nepopiratelná; otázkou je, proč náš vesmír obsahuje něco (hmota) a ne nic (koneckonců, hmota a antihmota byly stejně rozděleny). Možná v tomto století najdeme odpověď na tuto otázku.
Ilya Khel