Fragen Sie Ethan Nr. 13: Woher kam die Sache?
Wenn Sie Ihre Kopie der Antimaterie sehen, die auf Sie zukommt, denken Sie sorgfältig darüber nach, bevor Sie sie umarmen.
- J. Richard Gott III
Vielleicht haben Sie nicht daran gedacht, dass die ganze Erde und alles, was darauf ist, aus Materie erschaffen wurde. Es scheint intuitiv und kann nicht anders sein. Die Naturgesetze haben uns jedoch noch nicht gesagt, warum das Universum so angeordnet ist.Der Leser fragt:Stimmt es, dass zu Beginn des Universums Materie und Antimaterie in gleichen Mengen erzeugt wurden? Und wenn nicht, ist bekannt, warum eine solche Ungleichheit entstanden ist?
Und wenn ihre Anzahl gleich war, warum ist Antimaterie so klein? Gibt es einen Mechanismus zur Erklärung der Verbreitung von Materie gegenüber Antimaterie im sichtbaren Teil des Universums?
Denk darüber nach.
Dies ist Teil des Universums. Hunderte Milliarden Sterne und Sternensysteme existieren nur in unserer Galaxie. Hunderte Milliarden Galaxien befinden sich im sichtbaren Teil des Universums. Von allen untersuchten wir nur unser eigenes Sternensystem, das sich, nicht überraschend, aus Materie und nicht aus Antimaterie ergab.
Aber anscheinend besteht auch der Rest des Universums aus Materie. Genauer gesagt ist das Material im Universum voll, und wenn es irgendwo einen Teil aus Antimaterie gäbe, würden wir eine enorme Katastrophe erleben, wenn Materie und Antimaterie aufeinander treffen.
Zum Beispiel ist der Raum zwischen Sternen in Galaxien voller Material, auch wenn es keine Sterne gibt. Der Kosmos ist riesig und die Dichte der Materie gering. Es kann berechnet werden - wenn wir ein Teilchen Antimaterie (z. B. ein Antiproton) in den Weltraum werfen würden, wie lange hätte es gelebt, bevor wir uns mit einem Teilchen aus Materie und Vernichtung getroffen hätten. Im interstellaren Raum unserer Galaxie würde es durchschnittlich 300 Jahre dauern - was nichts im Vergleich zum Alter der Galaxie ist. Diese Einschränkung zeigt an, dass es unter der Materie Antimaterieteilchen nur in einer Menge in der Größenordnung von 1 Teilchen pro 10 15 geben kann .
In größerem Maßstab haben wir Galaxien und ihre Cluster kartiert und uns bei verschiedenen Wellenlängen umgesehen, darunter sichtbares Licht, Infrarotwellen, Mikrowellen, Radio, Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlen. Insbesondere Röntgen- und Gammastrahlen sind für Beobachtungen sehr wichtig, da sie bei der Vernichtung von Materie und Antimaterie charakteristische energiereiche Strahlung emittieren, die wir erfassen können.
Nachdem wir 55 galaktische Cluster in Entfernungen von mehreren Millionen Lichtjahren bis zu drei Milliarden untersucht hatten, stellten wir fest, dass auf der kosmischen Skala 99,999% aller Materie gewöhnliche Materie und keine Antimaterie sind.
Und doch ist das unerwartet. Möglicherweise haben Sie etwas über die Formel E = mc 2 gehörtund Sie wissen, dass sie behauptet, dass nicht nur Energie in der Masse enthalten ist, sondern dass ein Teilchen auch mit genügend Energie in der Hand erzeugt werden kann. Aber das ist nicht alles.
Wie wir in Laborexperimenten auf der Erde festgestellt haben, besteht die einzige Möglichkeit, Materie zu erzeugen, darin, doppelt so viel Energie wie in der Formel E = mc 2 angegeben zu verbrauchen und dieselbe Menge an Materie und Antimaterie zu erzeugen. Und umgekehrt können wir Materie nur zerstören, indem wir sie mit Antimaterie kollidieren, wodurch reine Energie freigesetzt wird. Und alle Gesetze der Physik besagen, dass dies jederzeit für alle Energien gilt.Und doch ist unser Universum vor uns.
Wenn wir mit dem Urknall beginnen würden, hätten wir am Ende der Inflation mit allen notwendigen Anfangsbedingungen und den bekannten Gesetzen der Physik einen solchen Zustand:
Wenn jedoch die Energie sinkt, wird es für hochenergetische Teilchen schwieriger, neue Materie / Antimaterie-Paare (b) zu erzeugen, wodurch die Anzahl der Reaktionen, die Materie und Antimaterie in Strahlung umwandeln, abnimmt. Mit abnehmender Dichte wird es für die Materie / Antimaterie-Paare jedoch schwieriger, sich zu finden (a), wodurch die Anzahl dieser Treffen nicht auf Null sinkt. Es wird immer Überreste von Materie und Antimaterie geben.Und hier beginnen seltsame Dinge. Nach allen Berechnungen, basierend auf den bekannten Gesetzen der Physik und unseren Experimenten, sollten für jedes Teilchen Materie oder Antimaterie 10 20 Strahlungsteilchen vorhanden sein. Aber in unserem Universum gibt es nur eine Milliarde von ihnen, 10 9 Stücke pro Materieteilchen. Und Antimaterie ist im Allgemeinen sehr klein.
Woher kam also die überschüssige Materie? Warum erschien überschüssige Materie, aber keine Antimaterie? Und wann? Und wie?Ehrlich gesagt ist dies eines der größten ungelösten Rätsel der Physik. Wenn wir jedoch nicht alles wissen, bedeutet dies nicht, dass wir überhaupt keine Hinweise haben. Zum Beispiel ist seit den 1960er Jahren bekannt, dass durch Erfüllung der folgenden drei Bedingungen:- Mangel an Gleichgewicht
- Nichtkonservierung der Baryonenzahl
- Verletzung der C- und CP-Invarianz
Es kann mehr Materie als Antimaterie erzeugt werden (oder umgekehrt). Darüber hinaus ist eine Asymmetrie in diesem Fall einfach unvermeidlich. Und glücklicherweise sind zwei dieser Kriterien leicht zu erfüllen.
"Unausgeglichenheit" tritt auf, wenn bestimmte Ereignisse in einem Teil des Systems den anderen Teil nicht beeinflussen, da die Informationen keine Zeit haben, sie zu erreichen. Ein expandierendes Universum ist ein hervorragendes Beispiel für ein System, in dem per Definition kein Gleichgewicht besteht, und die obige Beschreibung des Auftretens und der Vernichtung von Materie und Antimaterie während der Expansion und Abkühlung des Universums ist ein hervorragendes Beispiel für einen Nichtgleichgewichtsprozess.
Es gibt auch viele Beispiele für den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie und das Aufbrechen verschiedener Symmetrien. Eine davon ist die Ladungskonjugationssymmetrie oder C-Symmetrie. Wenn Sie alle Partikel durch Antiteilchen ersetzen und die C-Symmetrie erhalten bleibt, verhält sich das System genauso. Ein anderes ist Paritätssymmetrie, P-Symmetrie. Wenn es erhalten bleibt, sollten sich das reale System und seine Spiegelreflexion identisch verhalten.
Ein instabiles Teilchen wie ein sich drehendes Myon zerfällt auf eine bestimmte Weise - indem es ein Elektron in eine bestimmte Richtung entsprechend dem Spin emittiert. Wenn Sie dies im Spiegel (P) reflektieren, wird das Elektron in die entgegengesetzte Richtung emittiert, was im Leben nicht der Fall ist. Wenn Sie das Myon durch ein Anti-Myon (C) ersetzen, sendet es ein Positron in der ursprünglichen Richtung aus - und dies geschieht auch nicht. Wenn wir jedoch das rotierende Myon durch eine Spiegelkopie des rotierenden Anti-Myons (C und P, CP) ersetzen, hoffen wir, dass sein Zerfall genauso zuverlässig erfolgt wie der Zerfall des Myons in der realen (nicht spiegelbildlichen) Welt. Das passiert aber nicht. Es gibt andere Beispiele für die Verletzung von C- und CP-Symmetrien in k-Meson- oder B-Meson-Systemen.
Daher brauchen wir nur Interaktionen, bei denen die Baryonenzahl nicht in ausreichenden Mengen erhalten bleibt, dh Baryonen dort entstehen, wo sie nicht waren (aber es gab noch etwas anderes). Leider brauchen wir hier Physik, die nicht im Standardmodell enthalten ist.Es gibt jedoch viele solcher Mechanismen:- großartige Vereinigungstheorien, die Partikel im GUT-Maßstab enthalten
- Theorien mit neuen Skalaren, die Affleck-Dyne-Mechanismen enthalten
- Erweiterungen des Standardmodells einschließlich schwerer steriler Neutrinos
- Theorie der überschüssigen Leptonen im jungen Universum (Leptogenese)
- neue elektroschwache Physik, die die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie verbessern kann
Ich werde Ihnen nur ein Beispiel im Detail nennen.Stellen Sie sich ein heißes, dichtes, junges Universum vor. Zusätzlich zu der Strahlung und den Partikeln aus Materie und Antimaterie, die im Standardmodell enthalten sind, gibt es ein weiteres Partikel (und Antiteilchen), Q (und Anti-Q). Q ist sehr schwer, schwerer als ein Proton, hat eine positive Ladung von +1 (wie ein Proton) und erscheint im jungen Universum im Überfluss, zusammen mit seinen Hälften, Anti-Q, die die gleiche Masse und entgegengesetzte Ladung haben.Da sie instabil sind, werden sie nicht mehr geschaffen, wenn sich das Universum abkühlt. Die meisten von ihnen werden sich finden und vernichten, und der Rest wird verfallen.
Für jede Variante des Q-Zerfalls muss ein geeigneter Zerfall von Anti-Q auftreten. Wenn Q in ein Proton und ein Neutrino zerfällt, muss Anti-Q in ein Antiproton und ein Antineutrino zerfallen. Wenn Q in ein Antineutron und ein Positron zerfällt, muss Anti-Q in ein Neutron und ein Elektron zerfallen.Dies sind keine echten Teilchen, sie werden als Beispiel angegeben. In verschiedenen Theorien gibt es jedoch Partikel wie die X- und Y-Bosonen in der GUT und die Leptoquarks in einigen Erweiterungen des Standardmodells, die nach sehr ähnlichen Regeln arbeiten.Wenn die CP-Symmetrie nicht verletzt wird, zerfallen sie auf die gleiche Weise wie ihr Gegenteil.
Während all dies langweilig ist, wird dieser Prozess keine Massenüberschüsse erzeugen. Wenn wir jedoch eine Verletzung der CP-Symmetrie zulassen, kann der Unterschied zwischen Partikeln und Antiteilchen in der Anzahl der Zerfälle liegen. Welcher Prozentsatz von Q zerfällt in Protonen und Neutrinos, verglichen mit welchem Prozentsatz von Anti-Q zerfällt in Antiprotonen und Antineutrinos. Möglicherweise erhalten wir etwas Ähnliches wie das folgende Bild, das dem ähnelt, was wir in Systemen mit Kaons und B-Mesonen beobachten. Beachten Sie den Unterschied zwischen Q-Zerfällen und Anti-Q.
Nehmen wir an, unser Universum ist zu gleichen Teilen voller Materie und Antimaterie und Strahlung, die wir ignorieren. Angenommen, es gibt eine Reihe von Q und Anti-Q in gleichen Mengen, die sich gemäß den oben beschriebenen CP-Symmetrieverletzungen auflösen.Was bleibt übrig?Ein Meer von Protonen, Neutrinos, Antineutrinos, Positronen, Antiprotonen, Antineutrinos, Neutronen und Elektronen. Das ist ja Aber es wird mehr Protonen und Neutrinos als Antiprotonen und Antineutrinos geben, und es wird weniger Antineutrons und Positronen als Neutronen und Elektronen geben. Wenn wir Leptonen (Neutrinos, Elektronen und ihre Antiteilchen) ignorieren, wird uns das Meer aus zerfallenden Q- und Anti-Q-Teilchen verlassen.
Und nachdem sich alle Paare von Materie und Antimaterie getroffen haben, bleibt im Vergleich zu Antimaterie ein Überschuss an Materie übrig.Eine Variante einer solchen Entwicklung von Ereignissen fand eindeutig statt und führte dazu, dass wir unterschiedliche Mengen an Materie und Antimaterie haben und dass die Dichte der Materie (aber nicht der Antimaterie) überall gleich ist. Trotz der Tatsache, dass dies eines der größten ungelösten Probleme in der Physik ist, wissen wir viel darüber, und dies ist es wert, nacherzählt zu werden.Source: https://habr.com/ru/post/de381645/
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