👁️ 💘 🧘🏾 Demandez à Ethan n ° 13: d'où vient l'affaire? 🌔 💎 👩🏽‍🚀

Lorsque vous voyez votre copie d'antimatière qui court vers vous, réfléchissez bien avant de la serrer dans ses bras.
- J. Richard Gott III

Peut-être n'avez-vous pas pensé au fait que la Terre entière et tout ce qui s'y trouve ont été créés à partir de la matière. Cela semble intuitif et ne peut en être autrement. Cependant, les lois de la nature ne nous ont pas encore expliqué pourquoi l'univers est ainsi organisé.

Le lecteur demande:

Est-il vrai qu'à l'aube de l'Univers, la matière et l'antimatière ont été créées en quantités égales? Et sinon, sait-on pourquoi une telle inégalité est apparue?
Et si leur nombre était le même, pourquoi l'antimatière est-elle si petite? Existe-t-il un mécanisme pour expliquer la prévalence de la matière sur l'antimatière dans la partie visible de l'univers?

Pensez-y.

Cela fait partie de l'univers. Des centaines de milliards d'étoiles et de systèmes stellaires n'existent que dans notre galaxie. Des centaines de milliards de galaxies se trouvent dans la partie visible de l'univers. De tous, nous n'avons étudié que notre propre système stellaire, qui, sans surprise, s'est avéré être créé à partir de la matière, pas de l'antimatière.

Mais, apparemment, le reste de l'Univers est également fait de matière. Plus précisément, la matière dans l'Univers est pleine, et s'il y avait quelque part une partie faite d'antimatière, nous assisterions à une grande catastrophe lorsque la matière et l'antimatière se rencontreraient.

Par exemple, l'espace entre les étoiles dans les galaxies est plein de matière, même s'il n'y a pas d'étoiles. Le cosmos est vaste et la densité de matière est faible. Il peut être calculé - si nous jetions une particule d'antimatière (disons, un antiproton) dans l'espace, combien de temps aurait-il vécu avant de rencontrer une particule de matière et d'anéantissement. En moyenne, cela durerait 300 ans dans l'espace interstellaire de notre galaxie - ce qui n'est rien comparé à l'âge de la galaxie. Cette limitation indique que dans la matière il ne peut y avoir de particules d'antimatière qu'en quantité de l'ordre de 1 particule pour 10 ¹⁵ .

À plus grande échelle, nous avons cartographié les galaxies et leurs amas, regardé autour de différentes longueurs d'onde, y compris la lumière visible, les ondes infrarouges, les micro-ondes, la radio, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. Plus précisément, les rayons X et les rayons gamma sont très importants pour les observations, car lorsqu'ils annihilent la matière et l'antimatière, ils émettent un rayonnement à haute énergie caractéristique, que nous pouvons détecter.

Après avoir étudié 55 amas galactiques, à des distances de plusieurs millions d'années-lumière à trois milliards, nous avons vu qu'à l'échelle cosmique 99,999% + de toute la matière est de la matière ordinaire, pas de l'antimatière.

Et pourtant, c'est inattendu. Vous avez peut-être entendu parler de la formule E = mc ², et vous savez qu'elle prétend que non seulement l'énergie est contenue dans la masse, mais qu'une particule peut également être créée avec suffisamment d'énergie en main. Mais ce n'est pas tout.

Comme nous l'avons établi lors d'expériences en laboratoire sur Terre, la seule façon de créer de la matière est de prendre deux fois plus d'énergie que la formule E = mc ² , et de créer la même quantité de matière et d'antimatière. Et vice versa, nous ne pouvons détruire la matière qu'en la heurtant avec de l'antimatière, à la suite de quoi l'énergie pure est libérée. Et toutes les lois de la physique disent que cela est vrai à tout moment pour toutes les énergies.

Et pourtant, notre univers est devant nous.

Si on commençait avec le Big Bang, puis à la fin de l'inflation, avec toutes les conditions initiales nécessaires et les lois connues de la physique, on aurait un tel état:

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Mais, si l'énergie diminue, il devient plus difficile pour les particules de haute énergie de produire de nouvelles paires matière / antimatière (b), à la suite de quoi le nombre de réactions qui transforment la matière et l'antimatière en rayonnement diminue. Mais avec une diminution de la densité, il devient plus difficile pour les paires matière / antimatière de se retrouver (a), ce qui fait que le nombre de ces réunions ne tombera pas à zéro. Il y aura toujours des restes de matière et d'antimatière.

Et là, des choses étranges commencent. Selon tous les calculs, sur la base des lois connues de la physique et de nos expériences, il devrait y avoir 10 ²⁰ particules de rayonnement pour chaque particule de matière ou d'antimatière. Mais dans notre univers, il n'y en a qu'un milliard, 10 ⁹ pièces, pour une particule de matière. Et l'antimatière est généralement très petite.

Alors d'où vient l'excès de matière? Pourquoi la matière en excès est-elle apparue, mais pas l'antimatière? Et quand? Et comment?

Honnêtement, c'est l'un des plus grands mystères non résolus de la physique. Mais si nous ne savons pas tout, cela ne signifie pas que nous n'avons aucun indice. Par exemple, depuis les années 1960, on sait qu'en remplissant les trois conditions suivantes:

manque d'équilibre
non conservation du nombre de baryons
violation de l'invariance C et CP

plus de matière peut être créée que l'antimatière (ou vice versa). De plus, l'asymétrie dans ce cas est tout simplement inévitable. Et, heureusement, deux de ces critères sont faciles à satisfaire.

Le "manque d'équilibre" se produit lorsque certains événements dans une partie du système n'affectent pas l'autre partie, car l'information n'a pas le temps de les atteindre. Un Univers en expansion est un excellent exemple d'un système dans lequel, par définition, il n'y a pas d'équilibre, et la description ci-dessus de l'apparition et de l'anéantissement de la matière et de l'antimatière pendant l'expansion et le refroidissement de l'Univers est un excellent exemple d'un processus sans équilibre.

Il existe également de nombreux exemples de la différence entre la matière et l'antimatière, et la rupture de diverses symétries. L'un d'eux est la symétrie de conjugaison de charge, ou symétrie C. Si vous remplacez toutes les particules par des antiparticules et que la symétrie C est préservée, le système se comportera exactement de la même manière. Une autre est la symétrie de parité, la symétrie P. S'il est préservé, le système réel et sa réflexion miroir devraient se comporter de manière identique.

Une particule instable comme un muon en rotation se désintègre d'une manière spécifique - en émettant un électron dans une certaine direction en fonction du spin. Si vous réfléchissez cela dans le miroir (P), alors l'électron sera émis dans la direction opposée, ce qui ne se produit pas dans la vie. Si vous remplacez le muon par un anti-muon (C), il émettra un positron dans la direction d'origine - et cela ne se produit pas non plus. Mais si nous remplaçons le muon rotatif par une copie miroir de l'anti-muon rotatif (C et P, SR), nous espérons que sa désintégration se produira de manière aussi fiable que la désintégration du muon dans le monde réel (non miroir). Mais cela n'arrive pas. Il existe d'autres exemples de violation des symétries C et CP dans les systèmes à méson k ou à méson B.

Par conséquent, nous devons seulement obtenir des interactions qui ne préservent pas le nombre de baryons en quantités suffisantes, en d'autres termes, créer des baryons là où ils n'étaient pas (mais il y avait autre chose). Malheureusement, nous avons besoin ici d'une physique qui n'est pas dans le modèle standard.

Mais il existe de nombreux mécanismes de ce type:

Grandes théories d'unification contenant des particules à l'échelle GUT
théories avec de nouveaux scalaires contenant des mécanismes d'Affleck-Dyne
extensions du modèle standard, y compris les neutrinos stériles lourds
théorie des excès de leptons dans le jeune univers (leptogenèse)
nouvelle physique électrofaible qui peut améliorer l'asymétrie entre la matière et l'antimatière

Je vais vous donner en détail un seul exemple.

Imaginez un univers chaud, dense et jeune. En plus du rayonnement et des particules de matière et d'antimatière inclus dans le modèle standard, il existe une autre particule (et antiparticule), Q (et anti-Q). Q est très lourd, plus lourd qu'un proton, a une charge positive de +1 (comme un proton) et apparaît en abondance dans le jeune Univers, avec ses moitiés, anti-Q, qui ont la même masse et la charge opposée.

Puisqu'ils sont instables, lorsque l'univers se refroidira, ils cesseront d'être créés. La plupart d'entre eux se retrouveront et s'anéantiront, et les autres se décomposeront.

Pour chaque variante de la désintégration Q, une désintégration appropriée de l'anti-Q doit se produire. Si Q se désintègre en un proton et un neutrino, l'anti-Q doit se désintégrer en un antiproton et un antineutrino. Si Q se désintègre en un antineutron et un positron, l'anti-Q doit se désintégrer en un neutron et un électron.

Ce ne sont pas de vraies particules, elles sont données à titre d'exemple. Mais dans différentes théories, il existe des particules comme les bosons X et Y dans le GUT et les leptoquarks dans certaines extensions du modèle standard qui fonctionnent selon des règles très similaires.

En l'absence de violation de la symétrie CP, ils se désintégreront de la même manière que leur opposé.

Bien que tout cela soit ennuyeux, ce processus ne créera pas d'excès de masse. Mais si nous autorisons la violation de la symétrie CP, alors la différence entre les particules et les antiparticules peut être dans le nombre de désintégrations. Quel pourcentage de Q se désintègre en protons et neutrinos, par rapport à quel pourcentage d'anti-Q se désintègre en antiprotons et antineutrinos. Nous pouvons obtenir quelque chose de similaire à l'image suivante, qui est similaire à ce que nous observons dans les systèmes avec Kaons et B-mésons. Remarquez la différence entre les désintégrations Q et anti-Q.

Supposons que notre univers soit plein de matière et d'antimatière dans des proportions égales et de rayonnement, que nous ignorons. Supposons également qu'il existe un tas de Q et d'anti-Q en quantités égales qui se décomposent conformément aux violations de symétrie CP décrites ci-dessus.

Que restera-t-il?

Une mer de protons, neutrinos, antineutrinos, positrons, antiprotons, antineutrinos, neutrons et électrons. C’est vrai. Mais il y aura plus de protons et de neutrinos que d'antiprotons et d'antineutrinos, et il y aura moins d'antineutrons et de positrons que de neutrons et d'électrons. Si nous ignorons les leptons (neutrinos, électrons et leurs antiparticules), c'est ce que nous laissera la mer de particules Q et anti-Q en décomposition.

Et après que toutes les paires de matière et d'antimatière se sont rencontrées, il restera un excès de matière par rapport à l'antimatière.

Une variante d'une telle évolution des événements a eu lieu sans ambiguïté et a conduit au fait que nous avons différentes quantités de matière et d'antimatière, et que la densité de la matière (mais pas d'antimatière) est la même partout où nous regardons. Même si c'est l'un des plus grands problèmes non résolus en physique, nous en savons beaucoup à ce sujet, et cela mérite d'être raconté.

Demandez à Ethan n ° 13: d'où vient l'affaire?

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