Pregúntele a Ethan No. 13: ¿De dónde vino el asunto?
Cuando vea su copia de antimateria que corre hacia usted, piense cuidadosamente antes de abrazarla.
- J. Richard Gott III
Quizás no pensaste en el hecho de que toda la Tierra y todo lo que está en ella fue creada a partir de la materia. Parece intuitivo y no puede ser de otra manera. Sin embargo, las leyes de la naturaleza aún no nos han dicho por qué el universo está tan organizado.El lector pregunta:¿Es cierto que en los albores del Universo, la materia y la antimateria se crearon en cantidades iguales? Y si no, ¿se sabe por qué surgió tal desigualdad?
Y si su número era el mismo, ¿por qué la antimateria es tan pequeña? ¿Existe algún mecanismo para explicar la prevalencia de la materia sobre la antimateria en la parte visible del universo?
Piénsalo.
Esto es parte del universo. Cientos de miles de millones de estrellas y sistemas estelares solo existen en nuestra galaxia. Cientos de miles de millones de galaxias se encuentran en la parte visible del universo. De todos ellos, estudiamos solo nuestro propio sistema estelar, que, como era de esperar, resultó ser creado a partir de la materia, no de la antimateria.
Pero, aparentemente, el resto del Universo también está hecho de materia. Más precisamente, el material en el Universo está lleno, y si hubiera en algún lugar una parte hecha de antimateria, seríamos testigos de una tremenda catástrofe cuando la materia y la antimateria se encuentren.
Por ejemplo, el espacio entre las estrellas en las galaxias está lleno de material, incluso si no hay estrellas. El cosmos es vasto y la densidad de la materia es baja. Se puede calcular: si arrojamos una partícula de antimateria (por ejemplo, un antiprotón) en el espacio, ¿cuánto tiempo habría vivido antes de encontrarse con una partícula de la materia y la aniquilación? En promedio, duraría 300 años en el espacio interestelar de nuestra galaxia, lo cual no es nada en comparación con la edad de la galaxia. Esta limitación indica que entre la materia puede haber partículas de antimateria solo en una cantidad del orden de 1 partícula por 10 15 .
En una escala mayor, mapeamos galaxias y sus cúmulos, observamos diferentes longitudes de onda, incluyendo luz visible, ondas infrarrojas, microondas, radio, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Específicamente, los rayos X y los rayos gamma son muy importantes para las observaciones, porque al aniquilar materia y antimateria, emiten radiación característica de alta energía, que podemos detectar.
Después de estudiar 55 cúmulos galácticos, a distancias de varios millones de años luz a tres mil millones, vimos que en las escalas cósmicas el 99.999% + de toda la materia es materia ordinaria, no antimateria.
Y sin embargo, esto es inesperado. Es posible que haya escuchado algo sobre la fórmula E = mc 2, y sabes que ella afirma que no solo la energía está contenida en la masa, sino que también se puede crear una partícula con suficiente energía en la mano. Pero eso no es todo.
Como establecimos en experimentos de laboratorio en la Tierra, la única forma de crear materia es tomar el doble de energía que la fórmula E = mc 2 , y crear la misma cantidad de materia y antimateria. Y viceversa, podemos destruir la materia solo colisionándola con la antimateria, como resultado de lo cual se libera energía pura. Y todas las leyes de la física dicen que esto es cierto en cualquier momento para cualquier energía.Y, sin embargo, nuestro universo está ante nosotros.
Si comenzamos con el Big Bang, al final de la inflación, con todas las condiciones iniciales necesarias y las leyes conocidas de la física, tendríamos ese estado:
Pero, si la energía cae, se hace más difícil que las partículas de alta energía produzcan nuevos pares de materia / antimateria (b), como resultado de lo cual disminuye el número de reacciones que transforman la materia y la antimateria en radiación. Pero con una disminución en la densidad, se hace más difícil que los pares materia / antimateria se encuentren (a), como resultado de lo cual el número de estas reuniones no caerá a cero. Siempre habrá restos de materia y antimateria.Y aquí comienzan las cosas extrañas. De acuerdo con todos los cálculos, basados en las leyes conocidas de la física y nuestros experimentos, debería haber 10 20 partículas de radiación por cada partícula de materia o antimateria. Pero en nuestro universo solo hay mil millones de ellos, 10 9 piezas, por una partícula de materia. Y la antimateria es generalmente muy pequeña.
Entonces, ¿de dónde vino el exceso de materia? ¿Por qué apareció el exceso de materia, pero no la antimateria? ¿Y cuando? ¿Y cómo?Honestamente, este es uno de los mayores misterios no resueltos de la física. Pero si no lo sabemos todo, esto no significa que no tengamos ninguna pista. Por ejemplo, desde la década de 1960 se sabe que al cumplir las siguientes tres condiciones:- falta de equilibrio
- no conservación del número bariónico
- violación de la invariancia C y CP
Se puede crear más materia que la antimateria (o viceversa). Además, la asimetría en este caso es simplemente inevitable. Y, afortunadamente, dos de estos criterios son fáciles de satisfacer.
La "falta de equilibrio" ocurre cuando ciertos eventos en una parte del sistema no afectan a la otra parte, ya que la información no tiene tiempo para llegar a ellos. Un Universo en expansión es un excelente ejemplo de un sistema en el que, por definición, no hay equilibrio, y la descripción anterior de la aparición y aniquilación de materia y antimateria durante la expansión y enfriamiento del Universo es un excelente ejemplo de un proceso de no equilibrio.
También hay muchos ejemplos de la diferencia entre materia y antimateria, y la ruptura de varias simetrías. Uno de ellos es la simetría de conjugación de carga, o simetría C. Si reemplaza todas las partículas con antipartículas, y se preserva la simetría C, entonces el sistema se comportará exactamente igual. Otra es la simetría de paridad, la simetría P. Si se conserva, entonces el sistema real y su reflejo del espejo deberían comportarse de manera idéntica.
Una partícula inestable, como un muón giratorio, se desintegra de una manera específica, emitiendo un electrón en una determinada dirección de acuerdo con el giro. Si refleja esto en el espejo (P), el electrón se emitirá en la dirección opuesta, lo que en la vida no sucede. Si reemplaza el muón con un antimuón (C), emitirá un positrón en la dirección original, y esto tampoco sucede. Pero si reemplazamos el muón giratorio con una copia espejo del antimuón giratorio (C y P, SR), esperamos que su descomposición ocurra de manera tan confiable como la descomposición del muón en el mundo real (sin espejo). Pero esto no sucede. Hay otros ejemplos de violación de simetrías C y CP en sistemas k-meson o B-meson.
Por lo tanto, solo necesitamos obtener interacciones que no preserven el número de bariones en cantidades suficientes, en otras palabras, crear bariones donde no estaban (pero había algo más). Desafortunadamente, necesitamos física aquí que no esté en el Modelo Estándar.Pero hay muchos de estos mecanismos:- Grandes teorías de unificación que contienen partículas a escala GUT
- teorías con nuevos escalares que contienen mecanismos Affleck-Dyne
- extensiones al modelo estándar que incluyen neutrinos estériles pesados
- teoría del exceso de leptones en el Universo joven (leptogénesis)
- nueva física de electrodébil que puede mejorar la asimetría entre la materia y la antimateria
Te diré en detalle solo un ejemplo.Imagina un universo joven, caliente y denso. Además de la radiación y las partículas de materia y antimateria incluidas en el modelo estándar, hay otra partícula (y antipartícula), Q (y anti-Q). Q es muy pesado, más pesado que un protón, tiene una carga positiva de +1 (como un protón) y aparece en abundancia en el Universo joven, junto con sus mitades, anti-Q, que tienen la misma masa y carga opuesta.Como son inestables, cuando el universo se enfríe, dejarán de crearse. La mayoría de ellos se encontrarán y aniquilarán, y el resto decaerá.
Para cada variante de descomposición Q, debe producirse una descomposición apropiada de anti-Q. Si Q se descompone en un protón y un neutrino, el anti-Q debe descomponerse en un antiprotón y un antineutrino. Si Q se descompone en un antineutrón y un positrón, el anti-Q debe descomponerse en un neutrón y un electrón.Estas no son partículas reales, se dan como ejemplo. Pero en diferentes teorías, hay partículas como los bosones X e Y en el GUT y los leptoquarks en algunas extensiones del Modelo Estándar que funcionan según reglas muy similares.En ausencia de violación de la simetría CP, decaerán de la misma manera que su opuesto.
Si bien todo esto es aburrido, este proceso no creará excesos de masa. Pero si permitimos la violación de la simetría CP, entonces la diferencia entre partículas y antipartículas puede estar en el número de desintegraciones. Qué porcentaje de Q se descompone en protones y neutrinos, en comparación con qué porcentaje de anti-Q se descompone en antiprotones y antineutrinos. Podemos obtener algo similar a la siguiente imagen, que es similar a lo que observamos en sistemas con Kaons y B-mesons. Observe la diferencia entre Q decae y anti-Q.
Supongamos que nuestro Universo está lleno de materia y antimateria en proporciones iguales y radiación, lo cual ignoramos. Supongamos también que hay un montón de Q y anti-Q en cantidades iguales que se dividen de acuerdo con las violaciones de simetría de CP descritas anteriormente.¿Qué quedará?Un mar de protones, neutrinos, antineutrinos, positrones, antiprotones, antineutrinos, neutrones y electrones. Eso es si. Pero habrá más protones y neutrinos que antiprotones y antineutrinos, y habrá menos antineutrones y positrones que neutrones y electrones. Si ignoramos los leptones (neutrinos, electrones y sus antipartículas), entonces esto es lo que nos dejará el mar de partículas Q y anti-Q en descomposición.
Y después de que todos los pares de materia y antimateria se encuentren, seguirá habiendo un exceso de materia en comparación con la antimateria.Una variante de tal desarrollo de eventos tuvo lugar inequívocamente y condujo al hecho de que tenemos diferentes cantidades de materia y antimateria, y que la densidad de la materia (pero no la antimateria) es la misma en todos los lugares donde miramos. Incluso a pesar de que este es uno de los mayores problemas no resueltos en física, sabemos mucho al respecto, y esto es digno de volver a contar.Source: https://habr.com/ru/post/es381645/
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