Als we naar het heelal kijken, naar al zijn planeten en sterren, melkwegstelsels en clusters, gas, stof, plasma, zien we overal dezelfde handtekeningen. We zien lijnen van atomaire absorptie en emissie, we zien dat materie interageert met andere vormen van materie, we zien stervorming en sterfte van sterren, botsingen, röntgenstralen en nog veel meer. Er is een voor de hand liggende vraag die uitleg behoeft: waarom zien we dit allemaal? Als de wetten van de fysica symmetrie tussen materie en antimaterie voorschrijven, zou het universum dat we waarnemen niet mogen bestaan.
Maar we zijn hier en niemand weet waarom.
Waarom is er geen antimaterie in het heelal?
Denk na over deze twee schijnbaar tegenstrijdige feiten:
- elke keer dat we een quark of lepton maken, maken we ook een antiquark en antilepton;
- elke keer dat een quark of lepton wordt vernietigd, wordt ook een antiquark of antilepton vernietigd;
- gecreëerde of vernietigde leptonen en antileptonen moeten in evenwicht zijn over de hele zomerponsfamilie, en elke keer dat een quark of lepton in wisselwerking staat, botst of vervalt, moet en zal het totale aantal quarks en leptonen aan het einde van de reactie (quarks min antiquarks, leptonen min antileptonen) hetzelfde als in het begin.
De enige manier om de hoeveelheid materie in het universum te veranderen, was door de hoeveelheid antimaterie met dezelfde hoeveelheid te veranderen.
En toch is er een tweede feit.
Maar we zien geen tekenen van vernietiging van materie door antimaterie op de grootste schaal. We zien geen teken dat sommige van de sterren, melkwegstelsels of planeten die we waarnemen gemaakt zijn van antimaterie. We zien niet de karakteristieke gammastralen die je zou verwachten als antimaterie in botsing zou komen met materie en zou worden vernietigd. In plaats daarvan zien we alleen materie overal waar we kijken.
Promotie video:
En het lijkt onmogelijk. Enerzijds is er geen bekende manier om meer materie dan antimaterie te maken door naar deeltjes en hun interacties in het universum te kijken. Aan de andere kant is alles wat we zien beslist gemaakt van materie, niet van antimaterie.
In feite hebben we de vernietiging van materie en antimaterie waargenomen onder extreme astrofysische omstandigheden, maar alleen in de buurt van hyperenergetische bronnen die materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden produceren - zwarte gaten bijvoorbeeld. Wanneer antimaterie in botsing komt met materie in het universum, produceert het gammastralen met zeer specifieke frequenties, die we vervolgens kunnen detecteren. Het interstellaire intergalactische medium zit vol met materiaal en de volledige afwezigheid van deze gammastraling is een sterk signaal dat er nooit veel meer antimaterie-deeltjes zullen zijn, aangezien dan de signatuur van antimaterie-materie zou worden ontdekt.
Als je een deeltje antimaterie in onze melkweg gooit, gaat het ongeveer 300 jaar mee voordat het wordt vernietigd door een deeltje materie. Deze beperking vertelt ons dat de hoeveelheid antimaterie in de Melkweg niet groter mag zijn dan 1 deeltje per biljard (1015), in verhouding tot de totale hoeveelheid materie.
Op grote schaal - de schaal van satellietstelsels, grote sterrenstelsels ter grootte van de Melkweg en zelfs clusters van sterrenstelsels - zijn de beperkingen minder streng, maar nog steeds erg sterk. Bij het observeren van afstanden van een paar miljoen lichtjaar tot drie miljard lichtjaar, hebben we een tekort aan röntgen- en gammastralen waargenomen die zouden kunnen duiden op de vernietiging van materie en antimaterie. Zelfs op grote kosmologische schaal zal 99,999% van wat er in ons universum bestaat, zeker worden vertegenwoordigd door materie (zoals wij zijn) en niet door antimaterie.
Hoe zijn we in zo'n situatie terecht gekomen dat het heelal uit een grote hoeveelheid materie bestaat en praktisch geen antimaterie bevat, als de natuurwetten absoluut symmetrisch zijn tussen materie en antimaterie? Welnu, er zijn twee opties: of het universum werd geboren met meer materie dan antimaterie, of er gebeurde iets in een vroeg stadium, toen het heel heet en dicht was, en veroorzaakte een asymmetrie van materie en antimaterie, die oorspronkelijk niet bestond.
Het eerste idee kan niet wetenschappelijk worden getest zonder het hele universum opnieuw te creëren, maar het tweede is erg overtuigend. Als ons universum op de een of andere manier een asymmetrie van materie en antimaterie creëerde waar het oorspronkelijk niet was, dan zullen de regels die toen werkten vandaag ongewijzigd blijven. Als we slim genoeg zijn, kunnen we experimentele tests ontwikkelen die de oorsprong van materie in ons universum onthullen.
Aan het eind van de jaren zestig identificeerde natuurkundige Andrei Sacharov drie voorwaarden die vereist zijn voor baryogenese, of het creëren van meer baryonen (protonen en neutronen) dan antibaryonen. Daar zijn ze:
- Het universum moet een niet-evenwichtssysteem zijn.
- Het moet een C- en CP-overtreding hebben.
- Er moeten interacties zijn die het baryongetal schenden.
De eerste is gemakkelijk waar te nemen, aangezien een uitdijend en afkoelend universum met onstabiele deeltjes erin (en antideeltjes) per definitie uit evenwicht zal zijn. De tweede is ook eenvoudig, omdat C-symmetrie (deeltjes vervangen door antideeltjes) en CP-symmetrie (deeltjes vervangen door spiegelend gereflecteerde antideeltjes) worden verbroken in veel zwakke interacties met vreemde, gecharmeerde en mooie quarks.
De vraag blijft hoe het baryongetal te breken. We hebben experimenteel waargenomen dat de balans van quarks tot antiquarks en leptonen tot antileptonen duidelijk bewaard is gebleven. Maar in het standaardmodel van de deeltjesfysica is er geen expliciete behoudswet voor elk van deze grootheden afzonderlijk.
Er zijn drie quarks nodig om een baryon te maken, dus voor elke drie quarks kennen we een baryongetal (B) 1 toe. Evenzo krijgt elke lepton een leptonummer (L) 1. Antiquarks, antibaryons en antileptonen hebben negatieve B- en L-getallen.
Maar volgens de regels van het Standaardmodel blijft alleen het verschil tussen baryonen en leptonen over. Onder de juiste omstandigheden kun je niet alleen extra protonen maken, maar ook elektronen. De exacte omstandigheden zijn onbekend, maar de oerknal gaf hen de kans om gerealiseerd te worden.
De allereerste stadia van het bestaan van het heelal worden beschreven door ongelooflijk hoge energieën: hoog genoeg om elk bekend deeltje en antideeltje in grote hoeveelheden te creëren volgens Einsteins beroemde formule E = mc2. Als het creëren en vernietigen van deeltjes werkt zoals we denken, zou het vroege universum gevuld moeten worden met een gelijk aantal deeltjes materie en antimaterie, die onderling in elkaar transformeerden, aangezien de beschikbare energie extreem hoog bleef.
Terwijl het universum zich uitbreidt en afkoelt, zullen onstabiele deeltjes, eenmaal in overvloed gecreëerd, instorten. Als aan de juiste voorwaarden is voldaan - met name de drie voorwaarden van suikers - kan dit leiden tot een teveel aan materie ten opzichte van antimaterie, zelfs als die er aanvankelijk niet was. De uitdaging voor natuurkundigen is om een levensvatbaar scenario te creëren, consistent met observatie en experimenten, dat u voldoende overtollige materie kan geven ten opzichte van antimaterie.
Er zijn drie belangrijke mogelijkheden voor dit teveel aan materie ten opzichte van antimaterie:
- Nieuwe fysica op de elektrozwakke schaal zou de hoeveelheid C- en CP-schending in het heelal aanzienlijk kunnen vergroten, wat zal leiden tot asymmetrieën tussen materie en antimaterie. SM-interacties (via het sphaleron-proces) die B en L afzonderlijk schenden (maar B - L behouden) kunnen de gewenste volumes baryonen en leptonen creëren.
- De nieuwe hoogenergetische neutrinofysica waar het universum naar verwijst, zou een fundamentele asymmetrie van leptonen kunnen creëren: leptogenese. Sphalerons die B - L behouden, zouden dan lepton-asymmetrie kunnen gebruiken om baryon-asymmetrie te creëren.
- Of baryogenese op de schaal van de grote eenmaking, als de nieuwe fysica (en nieuwe deeltjes) bestaan op de schaal van de grote eenmaking, wanneer de elektrozwakke kracht wordt gecombineerd met de sterke.
Deze scenario's hebben gemeenschappelijke elementen, dus laten we de laatste eens bekijken om als voorbeeld te begrijpen wat er zou kunnen zijn gebeurd.
Als de grote unificatietheorie correct is, moeten er nieuwe, superzware deeltjes zijn, X en Y genaamd, die zowel baryonachtige als leptonachtige eigenschappen hebben. Er zouden ook hun partners van antimaterie moeten zijn: anti-X en anti-Y, met tegenovergestelde B - L-nummers en tegengestelde ladingen, maar met dezelfde massa en levensduur. Deze deeltjes-antideeltjesparen kunnen in grote hoeveelheden worden gemaakt met energieën die hoog genoeg zijn om vervolgens te vervallen.
Dus we vullen het universum ermee, en dan vallen ze uit elkaar. Als we C- en CP-schendingen hebben, kunnen er kleine verschillen zijn in hoe deeltjes en antideeltjes (X, Y en anti-X, anti-Y) vervallen.
Als het X-deeltje twee paden heeft: vervallen in twee up-quarks of in twee anti-down-quarks en een positron, dan moet anti-X twee overeenkomstige paden volgen: twee anti-up-quarks of een down-quark en een elektron. Er is een belangrijk verschil dat is toegestaan wanneer C- en CP worden verbroken: X zal eerder vervallen in twee up-quarks dan anti-X in twee anti-up-quarks, terwijl anti-X eerder vervalt in down-quark en een elektron. dan X - in een anti-up quark en een positron.
Met een voldoende aantal paren en verval op deze manier, kun je gemakkelijk een teveel aan baryonen krijgen boven antibaryonen (en leptonen boven antileptonen) waar er voorheen geen was.
Dit is slechts één voorbeeld om ons begrip van wat er is gebeurd te illustreren. We zijn begonnen met een volledig symmetrisch universum, dat alle bekende natuurwetten gehoorzaamt, en met een hete, dichte, rijke staat gevuld met materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden. Door middel van een mechanisme dat we nog moeten bepalen, in overeenstemming met de drie voorwaarden van Sacharov, creëerden deze natuurlijke processen uiteindelijk een teveel aan materie boven antimaterie.
Het feit dat we bestaan en gemaakt zijn van materie valt niet te ontkennen; de vraag is waarom ons Universum iets (materie) bevat en niet niets (materie en antimaterie waren immers gelijk verdeeld). Misschien zullen we in deze eeuw het antwoord op deze vraag vinden.
Ilya Khel
