Apabila kita melihat Alam Semesta, di semua planet dan bintangnya, galaksi dan kelompok, gas, debu, plasma, kita melihat tanda tangan yang sama di mana-mana. Kami melihat garis penyerapan dan pelepasan atom, kita melihat bahawa jirim berinteraksi dengan bentuk jirim yang lain, kita melihat pembentukan bintang dan kematian bintang, perlanggaran, sinar-X dan banyak lagi. Ada soalan yang jelas yang memerlukan penjelasan: mengapa kita melihat semua ini? Sekiranya undang-undang fizik menentukan simetri antara jirim dan antimateri, alam semesta yang kita amati seharusnya tidak wujud.
Tetapi kami di sini dan tidak ada yang tahu mengapa.
Mengapa tidak ada antimateri di Alam Semesta?
Fikirkan dua fakta yang kelihatan bertentangan ini:
- setiap kali kita membuat quark atau lepton, kita juga membuat antiquark dan antilepton;
- setiap kali quark atau lepton dimusnahkan, antiquark atau antilepton juga dimusnahkan;
- lepton dan antilepton yang dicipta atau dimusnahkan mestilah seimbang di seluruh keluarga summerpon dan setiap kali quark atau lepton berinteraksi, bertembung atau mereput, jumlah quark dan lepton pada akhir reaksi (quark minus antiquark, leptons minus antileptons) seharusnya dan akan sama seperti pada awalnya.
Satu-satunya cara untuk mengubah jumlah jirim di alam semesta adalah dengan mengubah jumlah antimateri dengan jumlah yang sama.
Namun, ada fakta kedua.
Tetapi kita tidak melihat tanda-tanda pemusnahan jirim oleh antimateri pada skala terbesar. Kami tidak melihat tanda bahawa sebilangan bintang, galaksi, atau planet yang kami amati terbuat dari antimateri. Kami tidak melihat ciri khas sinar gamma yang diharapkan seseorang dapat melihat apakah antimateri bertembung dengan bahan dan dimusnahkan. Sebaliknya, kita hanya melihat perkara di mana sahaja kita melihat.
Video promosi:
Dan nampak mustahil. Di satu pihak, tidak ada cara yang diketahui untuk membuat lebih banyak bahan daripada antimateri dengan melihat zarah dan interaksinya di alam semesta. Sebaliknya, semua yang kita lihat pasti terbuat dari bahan, bukan antimateri.
Sebenarnya, kami telah memerhatikan pemusnahan jirim dan antimateri dalam keadaan astrofizik yang melampau, tetapi hanya berhampiran sumber hiperenergetik yang menghasilkan jirim dan antimateri dalam jumlah yang sama - lubang hitam, misalnya. Apabila antimateri bertabrakan dengan jirim di alam semesta, ia menghasilkan sinar gamma dengan frekuensi yang sangat spesifik, yang kemudian kita dapat mengesannya. Medium intergalaksi antarbintang penuh dengan bahan, dan ketiadaan sinar gamma ini adalah isyarat kuat bahawa tidak akan ada zarah antimateri yang lebih banyak lagi, kerana tandatangan bahan antimateri akan ditemui.
Sekiranya anda membuang satu zarah antimateri ke galaksi kita, ia akan bertahan sekitar 300 tahun sebelum dihancurkan oleh zarah zat. Batasan ini memberitahu kita bahawa jumlah antimateri di Bima Sakti tidak boleh melebihi 1 zarah per kuadrilion (1015), berbanding dengan jumlah jirim.
Dalam skala besar - skala galaksi satelit, galaksi besar seukuran Bima Sakti, dan bahkan kelompok galaksi - kekangannya kurang ketat, tetapi masih sangat kuat. Memerhatikan jarak dari beberapa juta tahun cahaya hingga tiga miliar tahun cahaya, kami telah menyaksikan kekurangan sinar-X dan sinar gamma yang dapat menunjukkan pemusnahan jirim dan antimateri. Walaupun pada skala kosmologi yang besar, 99.999% dari apa yang ada di alam semesta kita pasti akan diwakili oleh jirim (seperti kita) dan bukan antimateri.
Bagaimanakah kita akhirnya berada dalam keadaan sedemikian rupa sehingga Alam Semesta terdiri dari sejumlah besar materi dan praktis tidak mengandung antimateri, jika hukum alam benar-benar simetri antara jirim dan antimateri? Nah, ada dua pilihan: sama ada Alam Semesta dilahirkan dengan lebih banyak bahan daripada antimateri, atau sesuatu terjadi pada peringkat awal, ketika Alam Semesta sangat panas dan padat, dan menimbulkan asimetri jirim dan antimateri, yang awalnya tidak ada.
Idea pertama tidak dapat diuji secara saintifik tanpa mencipta semula seluruh Alam Semesta, tetapi yang kedua sangat meyakinkan. Sekiranya Alam Semesta kita entah bagaimana membuat asimetri jirim dan antimateri di mana ia tidak pada asalnya, maka peraturan yang berlaku kemudian tidak akan berubah hari ini. Sekiranya kita cukup pintar, kita dapat mengembangkan ujian eksperimental yang mendedahkan asal jirim di alam semesta kita.
Pada akhir 1960-an, ahli fizik Andrei Sakharov mengenal pasti tiga keadaan yang diperlukan untuk baryogenesis, atau penciptaan lebih banyak baryon (proton dan neutron) daripada antibaryon. Di sini mereka:
- Alam semesta mestilah sistem tidak bersuara.
- Ia mesti mempunyai pelanggaran C- dan CP.
- Pasti ada interaksi yang melanggar nombor baryon.
Yang pertama mudah diperhatikan, kerana Alam Semesta yang berkembang dan menyejukkan dengan zarah-zarah yang tidak stabil di dalamnya (dan antipartikel), secara definisi, akan berada di luar keseimbangan. Yang kedua juga mudah, kerana C-simetri (menggantikan zarah dengan antipartikel) dan CP-simetri (mengganti zarah dengan antipartikel yang dipantulkan secara spekular) terputus dalam banyak interaksi lemah yang melibatkan quark yang aneh, menawan, dan cantik.
Persoalannya tetap bagaimana memecahkan nombor baryon. Kami telah melihat secara eksperimen bahawa keseimbangan quark ke antiquark dan lepton ke antilepton jelas terpelihara. Tetapi dalam Model Standard fizik zarah tidak ada undang-undang pemuliharaan eksplisit untuk mana-mana kuantiti ini secara berasingan.
Dibutuhkan tiga quark untuk membuat baryon, jadi untuk setiap tiga quark kita memberikan nombor baryon (B) 1. Begitu juga, setiap lepton akan menerima nombor lepton (L) 1. Antiquark, antibaryon dan antilepton akan mempunyai nombor B dan L negatif.
Tetapi menurut peraturan Model Piawai, hanya tinggal perbezaan antara baryon dan lepton. Dalam keadaan yang betul, anda bukan sahaja dapat membuat proton tambahan, tetapi elektron untuknya. Keadaan sebenarnya tidak diketahui, tetapi Big Bang memberi mereka peluang untuk disedari.
Tahap pertama keberadaan Alam Semesta digambarkan oleh tenaga yang sangat tinggi: cukup tinggi untuk membuat setiap zarah dan antipartikel yang diketahui dalam jumlah besar mengikut formula Einstein yang terkenal E = mc2. Sekiranya penciptaan dan pemusnahan zarah berfungsi seperti yang kita sangka, alam semesta awal harus diisi dengan sebilangan zarah zat dan antimateri yang sama yang saling berubah satu sama lain, kerana tenaga yang ada tetap sangat tinggi.
Ketika alam semesta mengembang dan menyejukkan, zarah-zarah yang tidak stabil, setelah diciptakan dengan banyaknya, akan runtuh. Sekiranya syarat yang betul dipenuhi - khususnya, tiga syarat gula - ini boleh menyebabkan kelebihan bahan berbanding antimateri, walaupun pada awalnya tidak ada. Cabaran bagi ahli fizik adalah membuat senario yang sesuai, sesuai dengan pemerhatian dan eksperimen, yang dapat memberi anda lebihan bahan daripada antimateri.
Terdapat tiga kemungkinan utama untuk kelebihan bahan ini berbanding antimateri:
- Fizik baru pada skala elektroweak secara signifikan dapat meningkatkan jumlah pelanggaran C- dan CP di Alam Semesta, yang menyebabkan asimetri antara jirim dan antimateri. Interaksi SM (melalui proses sphaleron) yang memecah B dan L secara individu (tetapi mengekalkan B - L) dapat membuat isi baryon dan lepton yang dikehendaki.
- Fizik neutrino tenaga tinggi baru yang diisyaratkan oleh alam semesta dapat mewujudkan asimetri asas lepton: leptogenesis. Sphaleron yang memelihara B - L kemudian dapat menggunakan asimetri lepton untuk membuat asimetri baryon.
- Atau baryogenesis pada skala penyatuan besar, jika fizik baru (dan zarah baru) wujud pada skala penyatuan besar, ketika daya elektroweak digabungkan dengan yang kuat.
Senario ini mempunyai unsur yang sama, jadi mari kita lihat yang terakhir, hanya sebagai contoh, untuk memahami apa yang mungkin berlaku.
Sekiranya teori penyatuan besar betul, mesti ada zarah superheavy baru yang disebut X dan Y yang mempunyai sifat seperti baryon dan lepton-like. Terdapat juga pasangan mereka dari antimateri: anti-X dan anti-Y, dengan nombor B - L yang berlawanan dan caj yang berlawanan, tetapi dengan jisim dan jangka hayat yang sama. Pasangan zarah-antipartikel ini dapat dibuat dalam jumlah yang besar pada tenaga yang cukup tinggi sehingga kemudiannya akan reput.
Oleh itu, kita mengisi alam semesta dengan mereka, dan kemudian mereka hancur. Sekiranya kita mengalami pelanggaran C dan CP, mungkin ada sedikit perbezaan bagaimana kerosakan zarah dan antipartikel (X, Y dan anti-X, anti-Y).
Sekiranya zarah X mempunyai dua jalur: reput menjadi dua quark atau dua quark anti-down dan positron, maka anti-X mesti melalui dua jalur yang sesuai: dua quark anti-up atau quark bawah dan sebuah elektron. Terdapat perbezaan penting yang dibolehkan ketika C- dan CP dipecahkan: X mungkin lebih cenderung merosot menjadi dua quark daripada anti-X menjadi dua quark anti-up, sementara anti-X lebih cenderung merosot menjadi quark bawah dan elektron daripada X - menjadi quark anti-up dan positron.
Sekiranya anda mempunyai cukup pasangan dan reput dengan cara ini, anda boleh mendapatkan lebihan baryon berbanding antibaryon (dan lepton berbanding antilepton) di mana tidak ada sebelumnya.
Ini hanya satu contoh untuk menggambarkan pemahaman kita tentang apa yang berlaku. Kami bermula dengan alam semesta yang benar-benar simetri, mematuhi semua undang-undang fizik yang diketahui, dan dengan keadaan panas, padat, kaya, dipenuhi dengan bahan dan antimateri dalam jumlah yang sama. Melalui mekanisme yang belum kita tentukan, dengan mematuhi tiga syarat Sakharov, proses semula jadi ini akhirnya menghasilkan lebihan bahan berbanding antimateri.
Fakta bahawa kita wujud dan terbuat dari bahan tidak dapat dinafikan; persoalannya mengapa Alam Semesta kita mengandungi sesuatu (jirim) dan bukan apa-apa (bagaimanapun, jirim dan antimateri dibahagi sama rata). Mungkin pada abad ini kita akan menemui jawapan untuk soalan ini.
Ilya Khel
