Tanya Ethan No. 13: Dari mana datangnya masalah?
Saat Anda melihat salinan antimateri yang mengalir ke arah Anda, pikirkan baik-baik sebelum memeluknya.
- J. Richard Gott III
Mungkin Anda tidak memikirkan fakta bahwa seluruh bumi dan segala sesuatu yang ada di dalamnya diciptakan dari materi. Tampaknya intuitif dan tidak bisa sebaliknya. Namun, hukum-hukum alam belum memberi tahu kita mengapa alam semesta diatur sedemikian rupa.Pembaca bertanya:Benarkah pada awal Semesta, materi dan antimateri diciptakan dalam jumlah yang sama? Dan jika tidak, apakah diketahui mengapa ketidaksetaraan seperti itu muncul?
Dan jika jumlah mereka sama, mengapa antimateri begitu kecil? Apakah ada mekanisme untuk menjelaskan prevalensi materi dibandingkan antimateri di bagian alam semesta yang terlihat?
Pikirkan tentang itu.
Ini adalah bagian dari alam semesta. Ratusan miliar bintang dan sistem bintang hanya ada di galaksi kita. Ratusan miliar galaksi berada di bagian yang terlihat dari alam semesta. Dari mereka semua, kami hanya mempelajari sistem bintang kami sendiri, yang, tidak mengejutkan, ternyata diciptakan dari materi, bukan antimateri.
Tetapi, tampaknya, seluruh Alam Semesta juga terbuat dari materi. Lebih tepatnya, materi di Semesta penuh, dan jika di suatu tempat ada bagian yang terbuat dari antimateri, kita akan menyaksikan bencana besar ketika materi dan antimateri bertemu.
Sebagai contoh, ruang antar bintang di galaksi penuh dengan bahan, bahkan jika tidak ada bintang. Kosmos sangat luas dan kepadatan materi rendah. Dapat dihitung - jika kita melemparkan satu partikel antimateri (katakanlah, antiproton) di ruang angkasa, berapa lama itu akan hidup sebelum bertemu dengan partikel dari materi dan pemusnahan. Rata-rata, itu akan berlangsung 300 tahun di ruang antarbintang galaksi kita - yang tidak ada apa-apanya dibandingkan dengan usia galaksi. Keterbatasan ini menunjukkan bahwa di antara materi tersebut terdapat partikel antimateri hanya dalam jumlah urutan 1 partikel per 10 15 .
Pada skala yang lebih besar, kami memetakan galaksi dan kelompoknya, melihat sekeliling pada panjang gelombang yang berbeda, termasuk cahaya tampak, gelombang inframerah, gelombang mikro, radio, ultraviolet, sinar-x dan sinar gamma. Secara khusus, sinar-x dan sinar gamma sangat penting untuk pengamatan, karena ketika memusnahkan materi dan antimateri, mereka memancarkan radiasi energi tinggi yang khas, yang dapat kita deteksi.
Setelah mempelajari 55 kluster galaksi, pada jarak dari beberapa juta tahun cahaya hingga tiga miliar, kami melihat bahwa pada skala kosmik 99,999% + dari semua materi adalah materi biasa, bukan antimateri.
Namun ini tidak terduga. Anda mungkin pernah mendengar sesuatu tentang rumus E = mc 2, dan Anda tahu bahwa dia mengklaim bahwa tidak hanya energi yang terkandung dalam massa, tetapi bahwa partikel juga dapat dibuat dengan energi yang cukup di tangan. Tapi itu belum semuanya.
Seperti yang kami lakukan dalam percobaan laboratorium di Bumi, satu-satunya cara untuk menciptakan materi adalah dengan mengambil energi dua kali lebih banyak dari rumus E = mc 2 , dan membuat jumlah materi dan antimateri yang sama. Dan sebaliknya, kita dapat menghancurkan materi hanya dengan menabraknya dengan antimateri, sebagai akibatnya energi murni dilepaskan. Dan semua hukum fisika mengatakan bahwa ini berlaku setiap saat untuk energi apa pun.Namun, alam semesta kita ada di hadapan kita.
Jika kita mulai dengan Big Bang, kemudian pada akhir inflasi, dengan semua kondisi awal yang diperlukan dan hukum fisika yang diketahui, kita akan memiliki keadaan seperti itu:
Tetapi, jika energi turun, semakin sulit bagi partikel berenergi tinggi untuk menghasilkan pasangan materi / antimateri baru (b), akibatnya jumlah reaksi yang mengubah materi dan antimateri menjadi radiasi berkurang. Tetapi dengan penurunan kepadatan, menjadi lebih sulit bagi pasangan materi / antimateri untuk saling menemukan (a), sehingga jumlah pertemuan ini tidak akan turun menjadi nol. Akan selalu ada sisa-sisa materi dan antimateri.Dan di sini hal-hal aneh dimulai. Menurut semua perhitungan, berdasarkan hukum fisika yang diketahui dan percobaan kami, harus ada 10 20 partikel radiasi untuk setiap partikel materi atau antimateri. Tetapi di alam semesta kita hanya ada satu miliar di antaranya, 10 9 buah, per satu partikel materi. Dan antimateri umumnya sangat kecil.
Jadi dari mana datangnya kelebihan itu? Mengapa kelebihan materi muncul, tetapi bukan antimateri? Dan kapan? Dan bagaimana?Sejujurnya, ini adalah salah satu misteri fisika terbesar yang belum terpecahkan. Tetapi jika kita tidak tahu segalanya, ini tidak berarti bahwa kita tidak memiliki petunjuk sama sekali. Misalnya, sejak 1960-an diketahui bahwa dengan memenuhi tiga syarat berikut:- kurangnya keseimbangan
- nomor baryon nonconservation
- pelanggaran invarian C- dan CP
lebih banyak materi dapat dibuat daripada antimateri (atau sebaliknya). Selain itu, asimetri dalam kasus ini tidak bisa dihindari. Dan, untungnya, dua kriteria ini mudah dipenuhi.
"Kurangnya keseimbangan" terjadi ketika peristiwa-peristiwa tertentu di satu bagian sistem tidak mempengaruhi bagian lain, karena informasi tidak punya waktu untuk mencapai mereka. Perluasan Alam Semesta adalah contoh luar biasa dari suatu sistem di mana, menurut definisi, tidak ada keseimbangan, dan uraian di atas tentang penampilan dan pemusnahan materi dan antimateri selama ekspansi dan pendinginan Alam Semesta adalah contoh yang sangat baik dari proses nonequilibrium.
Ada juga banyak contoh perbedaan antara materi dan antimateri, dan hancurnya berbagai simetri. Salah satunya adalah simetri konjugasi biaya, atau C-simetri. Jika Anda mengganti semua partikel dengan antipartikel, dan simetri C dipertahankan, maka sistem akan berperilaku sama persis. Lainnya adalah paritas simetri, P-simetri. Jika dipertahankan, maka sistem nyata dan pantulan cerminnya harus berperilaku identik.
Sebuah partikel yang tidak stabil seperti muon berputar meluruh dengan cara tertentu - dengan memancarkan elektron ke arah tertentu sesuai dengan putaran. Jika Anda memantulkan ini di cermin (P), maka elektron akan dipancarkan ke arah yang berlawanan, yang dalam kehidupan tidak terjadi. Jika Anda mengganti muon dengan anti-muon (C), itu akan memancarkan positron ke arah yang asli - dan ini juga tidak terjadi. Tetapi jika kita mengganti rotan muon dengan salinan cermin dari rotating anti-muon (C dan P, SR), kita akan berharap bahwa peluruhannya akan terjadi sama andalnya dengan peluruhan muon di dunia nyata (non-cermin). Tetapi ini tidak terjadi. Ada contoh lain dari pelanggaran simetri C dan CP dalam sistem k-meson atau B-meson.
Oleh karena itu, kita hanya perlu mendapatkan interaksi yang tidak mempertahankan jumlah baryon dalam jumlah yang cukup, dengan kata lain, menciptakan baryon di mana mereka tidak ada (tetapi ada sesuatu yang lain). Sayangnya, kita membutuhkan fisika di sini yang tidak ada dalam Model Standar.Tetapi ada banyak mekanisme seperti itu:- teori unifikasi besar yang mengandung partikel skala GUT
- teori dengan skalar baru yang mengandung mekanisme Affleck-Dyne
- ekstensi ke Model Standar termasuk neutrino steril yang berat
- teori kelebihan lepton di Semesta muda (leptogenesis)
- fisika electroweak baru yang dapat meningkatkan asimetri antara materi dan antimateri
Saya hanya akan memberi tahu Anda satu contoh.Bayangkan alam semesta muda yang panas dan padat. Selain radiasi dan partikel materi dan antimateri yang termasuk dalam Model Standar, ada partikel lain (dan antipartikel), Q (dan anti-Q). Q sangat berat, lebih berat dari proton, memiliki muatan positif +1 (seperti proton) dan muncul berlimpah di Semesta muda, bersama dengan setengahnya, anti-Q, yang memiliki massa yang sama dan muatan berlawanan.Karena mereka tidak stabil, ketika alam semesta mendingin, mereka akan berhenti diciptakan. Sebagian besar dari mereka akan menemukan satu sama lain dan memusnahkan, dan sisanya akan membusuk.
Untuk setiap varian peluruhan Q, harus dilakukan peluruhan anti-Q yang sesuai. Jika Q meluruh menjadi proton dan neutrino, anti-Q harus meluruh menjadi antiproton dan antineutrino. Jika Q meluruh menjadi antineutron dan positron, anti-Q harus membusuk menjadi neutron dan elektron.Ini bukan partikel nyata, mereka diberikan sebagai contoh. Tetapi dalam teori yang berbeda, ada partikel seperti bos X-dan-Y di GUT dan leptoquark di beberapa ekstensi dari Model Standar yang bekerja dengan aturan yang sangat mirip.Dengan tidak adanya pelanggaran simetri CP, mereka akan membusuk dengan cara yang sama dengan lawan mereka.
Sementara semua ini membosankan, proses ini tidak akan menciptakan ekses massa. Tetapi jika kita membiarkan pelanggaran simetri CP, maka perbedaan antara partikel dan antipartikel dapat dalam jumlah peluruhan. Berapa persentase Q meluruh menjadi proton dan neutrino, dibandingkan dengan berapa persentase anti-Q meluruh menjadi antiproton dan antineutrino. Kita mungkin mendapatkan sesuatu yang mirip dengan gambar berikut, yang mirip dengan apa yang kita amati dalam sistem dengan Kaon dan meson-B. Perhatikan perbedaan antara peluruhan Q dan anti-Q.
Misalkan Semesta kita penuh dengan materi dan antimateri dalam proporsi yang sama, dan radiasi, yang kita abaikan. Misalkan juga ada sekelompok Q dan anti-Q dalam jumlah yang sama yang pecah sesuai dengan pelanggaran simetri CP yang dijelaskan di atas.Apa yang akan tersisa?Lautan proton, neutrino, antineutrino, positron, antiproton, antineutrino, neutron dan elektron. Ya itu. Tetapi akan ada lebih banyak proton dan neutrino daripada antiproton dan antineutrino, dan akan ada lebih sedikit antineutron dan positron daripada neutron dan elektron. Jika kita mengabaikan lepton (neutrino, elektron dan antipartikelnya), maka inilah yang akan ditinggalkan oleh lautan partikel Q dan anti-Q yang membusuk.
Dan setelah semua pasangan materi dan antimateri bertemu, akan ada kelebihan materi dibandingkan dengan antimateri.Varian dari perkembangan peristiwa semacam itu terjadi dengan jelas dan mengarah pada fakta bahwa kita memiliki jumlah materi dan antimateri yang berbeda, dan bahwa kepadatan materi (tetapi bukan antimateri) adalah sama di mana pun kita melihat. Meskipun fakta bahwa ini adalah salah satu masalah terbesar yang belum terpecahkan dalam fisika, kita tahu banyak tentang itu, dan ini layak diceritakan kembali.Source: https://habr.com/ru/post/id381645/
All Articles