Dlaczego nasz wszechświat wiruje z większą ilością materii niż jego dziwaczny odpowiednik antymaterii - i dlaczego w ogóle istniejemy - jest jedną z najbardziej kłopotliwych zagadek współczesnej fizyki.
Jakoś, gdy wszechświat był niesamowicie młody, prawie cała antymateria zniknęła, pozostawiając po prostu normalne rzeczy. Teoretycy od dawna prześladują wciąż nieuchwytne wyjaśnienie - a co ważniejsze, sposób na przetestowanie tego wyjaśnienia za pomocą eksperymentów.
Teraz trio teoretyków zaproponowało, że trio cząstek zwanych bozonami Higgsa może być odpowiedzialne za tajemniczy znikający akt antymaterii we wszechświecie. I myślą, że wiedzą, jak znaleźć podejrzanych winowajców.
Przypadek brakującego antymaterii
W prawie każdej interakcji między cząstkami subatomowymi antymateria (która jest identyczna z normalną materią, ale o przeciwnym ładunku) i normalna materia są wytwarzane w równej mierze. Wydaje się, że jest to podstawowa symetria wszechświata. A jednak, kiedy wychodzimy i patrzymy na ten sam wszechświat, nie widzimy prawie żadnej antymaterii. O ile fizycy potrafią powiedzieć, na każdą cząsteczkę antymaterii wciąż wiszącą wokoło kosmosu znajduje się około miliarda cząstek normalnej materii.
Tajemnica ta nosi wiele nazw, takich jak problem asymetrii materii i problem asymetrii barionowej; bez względu na nazwę ma fizyków. Na razie nikt nie był w stanie zapewnić spójnego, konsekwentnego wyjaśnienia dominacji materii nad antymaterią, a ponieważ zadaniem fizyków jest wyjaśnienie, jak działa natura, zaczyna się irytować.
Jednak natura pozostawiła dla nas pewne wskazówki do rozwiązania. Na przykład brak dowodów na istnienie wielu antymaterii w tak zwanym kosmicznym tle mikrofalowym - cieple pozostałym po Wielkim Wybuchu, narodzinach wszechświata. Sugeruje to, że kapar wystąpił we wczesnym wszechświecie. A wczesny wszechświat był dość szalonym miejscem, w którym toczyły się wszelkiego rodzaju skomplikowane, źle zrozumiane fizyki. Jeśli więc materia i antymateria się rozdzielą, to dobry moment, aby to zrobić.
Obwiniaj Higgsa
W rzeczywistości najlepszy czas na zniknięcie antymaterii przypada na krótką, ale burzliwą epokę w naszym wszechświecie, kiedy siły natury rozpadają się w miarę schładzania kosmosu.
Przy wysokich energiach (takich jak w zderzaczu cząstek) siła elektromagnetyczna i słaba siła jądrowa łączą swoje moce, tworząc nową siłę: elektro słaby. Jednak gdy rzeczy ostygną i powrócą do normalnej codziennej energii, elektro-słaby rozdziela się na znane dwie siły.
Przy jeszcze wyższych energiach, takich jak te znalezione w pierwszych momentach Wielkiego Wybuchu, uważamy, że silna siła nuklearna łączy się z elektro-słabym, a przy jeszcze wyższych energiach grawitacja łączy partię w jedną zjednoczoną siłę. Ale nie do końca poznaliśmy, jak grawitacja wpływa na grę.
Bozon Higgsa, zaproponowany do istnienia w latach 60. XX wieku, ale odkryty dopiero w 2012 r. W Wielkim Zderzaczu Hadronów, dokonuje podziału siły elektromagnetycznej od słabej siły jądrowej. Fizycy są całkiem pewni, że rozpad materii i antymaterii nastąpił, zanim wszystkie cztery siły natury upadły na swoje miejsce jako ich własne byty; to dlatego, że mamy dość jasne zrozumienie fizyki wszechświata po podziale, a dodanie zbyt dużej ilości antymaterii w późniejszych epokach narusza obserwacje kosmicznego tła mikrofalowego).
Jako taki, być może bozon Higgsa odgrywa pewną rolę.
Ale same Higgs nie mogą tego przeciąć; nie ma znanego mechanizmu wykorzystującego tylko Higgsa do powodowania nierównowagi między materią a antymaterią.
Na szczęście historia Higgsa może się nie skończyć. Fizycy odkryli pojedynczego bozonu Higgsa w eksperymentach zderzaczy o masie około 125 miliardów woltów elektronów, lub GeV - dla porównania proton waży około 1 GeV.
Okazuje się, że Higgowie nie mogą być sami.
Jest całkiem możliwe, że wokół unosi się więcej bozonów Higgsa, które są masywniejsze niż to, co możemy obecnie wykryć w naszych eksperymentach. W dzisiejszych czasach ci ciężsi Higgowie, jeśli istnieją, nie zrobiliby wiele, nie uczestniczyliby w żadnej fizyce, do której moglibyśmy uzyskać dostęp za pomocą naszych zderzaczy - po prostu nie mamy dość energii, aby je „aktywować”. Ale we wczesnych dniach wszechświata, kiedy energie były znacznie, znacznie wyższe, inne Higgs mogły zostać aktywowane, a te Higgs mogły spowodować nierównowagę w pewnych podstawowych oddziaływaniach cząstek, prowadząc do nowoczesnej asymetrii między materią a antymaterią.
Rozwiązywanie tajemnicy
W niedawnym artykule opublikowanym online w czasopiśmie arXiv trzej fizycy zaproponowali interesujące potencjalne rozwiązanie: być może trzy bozony Higgsa (nazwane „Trojką Higgsa”) grały we wczesny wszechświat w gorących ziemniaków, generując powódź normalnej materii . Kiedy materia dotyka antymaterii - Puf - oboje unicestwiają się i znikają.
I tak większość tego strumienia materii unicestwi antymaterię, zatapiając ją prawie całkowicie w zalewie promieniowania. W tym scenariuszu pozostałoby wystarczająco dużo normalnej materii, aby doprowadzić do współczesnego wszechświata, który znamy i kochamy.
Aby ta praca działała, teoretycy proponują, że trio obejmuje jedną znaną cząsteczkę Higgsa i dwóch początkujących, przy czym każdy z nich ma masę około 1000 GeV. Liczba ta jest czysto arbitralna, ale została specjalnie wybrana, aby ten hipotetyczny Higgs był potencjalnie wykrywalny w zderzaczach cząstek nowej generacji. Nie ma sensu przewidywać istnienia cząsteczki, której nigdy nie można wykryć.
Fizycy mają wówczas wyzwanie. Niezależnie od mechanizmu, który powoduje asymetrię, materia ma przewagę nad antymaterią o czynnik od miliarda do jednego. I ma bardzo krótki okres czasu we wczesnym wszechświecie na zrobienie tego; gdy siły się rozdzielą, gra się kończy, a fizyka, jaką znamy, zostaje zablokowana. Ten mechanizm, w tym dwa nowe Higgsy, musi być możliwy do przetestowania.
Krótka odpowiedź: byli w stanie to zrobić. Zrozumiałe jest, że jest to bardzo skomplikowany proces, ale nadrzędna (i teoretyczna) historia wygląda następująco: dwa nowe Higgs rozpadają się na strumienie cząstek z nieco innymi prędkościami i nieco innymi preferencjami dla materii niż antymaterii. Różnice te narastają w miarę upływu czasu, a gdy siła słaba elektrycznie rozdziela się, istnieje wystarczająca różnica w populacjach cząstek materii i antymaterii „wbudowanych” we wszechświat, że normalna materia ostatecznie dominuje nad antymaterią.
Oczywiście rozwiązuje to problem asymetrii barionowej, ale od razu prowadzi do pytania, co natura robi z tak wieloma bozonami Higgsa. Ale zrobimy wszystko krok po kroku.
