Tanyakan Ethan: mungkin antimateri yang hilang itu tersembunyi di dalam lubang hitam?

Ide artis tentang sistem planet Kepler-42. Kami memiliki setiap alasan untuk meyakini bahwa semua itu terdiri dari materi, dan bukan antimateri, tetapi lubang hitam dapat memberi tahu kami kisah yang sama sekali berbeda - kami tidak memiliki cara untuk menetapkan apa yang mereka terdiri dari

Salah satu misteri kosmik terbesar dari seluruh alam semesta adalah mengapa ada jauh lebih banyak materi di dalamnya daripada antimateri. Hukum fisika, sejauh yang kami tahu, memungkinkan Anda untuk membuat dan menghancurkan materi dan antimateri dengan proporsi yang sama. Namun, melihat bintang-bintang, galaksi, dan struktur alam semesta berskala besar, kita menemukan bahwa semuanya terdiri dari materi, dan jumlah antimateri dapat diabaikan. Teka-teki kosmik ini membuat banyak orang berpendapat bahwa mungkin ada jumlah antimateri yang sama, dan kemudian entah bagaimana terpisah dari materi. Apakah ini mungkin, dan bisakah antimateri bersembunyi di lubang hitam? Pembaca kami bertanya:

Ada misteri kehadiran materi dan tidak adanya jumlah antimateri yang tepat. Beberapa lubang hitam yang jauh dan lama terbentuk jauh lebih cepat daripada yang diprediksi teori saat ini. Bisakah antimateri yang hilang bersembunyi di dalam lubang hitam prasejarah ini? Apakah massa lubang hitam supermasif sebanding dengan setidaknya kira-kira jumlah antimateri yang hilang?

Pikiran itu mengasyikkan. Mari kita mempelajari teori ini dan mengatasinya.


Gugus galaksi MACSJ0717.5 + 3745 harus terdiri dari materi, sama seperti yang kita lakukan, atau pada garis pandang kita akan melihat bukti penghancuran materi dengan antimateri.

Dalam arah apa pun yang kita amati Alam Semesta, di mana-mana kita melihat hal yang sama: galaksi dan bintang, di semua arah dan semua tempat ruang, setidaknya rata-rata. Pada skala kecil, tentu saja, galaksi terakumulasi bersama, tetapi jika Anda mempelajari skala terbesar, alam semesta di mana-mana akan memiliki rata-rata sifat yang sama (misalnya, kepadatan). Jika di suatu tempat ada galaksi yang terdiri dari antimateri, dan bukan materi, kita akan melihat sejumlah besar bukti penghancuran materi / antimateri, dan defisit materi di perbatasan antara materi dan antimateri. Fakta bahwa kita belum menemukan bukti seperti itu di mana pun - baik dalam galaksi individu, maupun dalam kelompok galaksi, atau dalam tabrakan kelompok galaksi - memberi tahu kita bahwa 99,999% + Semesta terdiri dari materi, seperti kita, dan bukan antimateri.


Dalam kelompok, galaksi, sistem bintang yang berdekatan dengan kita, di tata surya kita sendiri - di mana-mana ada pembatasan serius pada proporsi antimateri. Tidak ada keraguan - di mana-mana dalam materi Semesta mendominasi.

Dan ini aneh, karena, menurut pemahaman hukum fisika saat ini, kita tidak tahu mekanisme yang memungkinkan kita menciptakan lebih banyak materi daripada antimateri. Simetri materi dan antimateri, dalam hal fisika partikel, dipostulasikan bahkan lebih ketat dari yang Anda bayangkan. Sebagai contoh:

• setiap kali quark muncul, antiquark dibuat,
• setiap kali quark dihancurkan, antiquark juga dihancurkan,
• setiap kali lepton muncul atau dihancurkan, antilepton dari keluarga lepton yang sama dibuat atau dihancurkan dengan cara yang sama,
• setiap kali quark atau lepton berinteraksi, bertabrakan atau meluruh, jumlah total quark dan lepton pada akhir reaksi (quark dikurangi antiquark, lepton minus antilepton) tetap konstan.

Satu-satunya cara untuk mendapatkan lebih banyak materi di alam semesta adalah juga menciptakan lebih banyak antimateri.


Mendapatkan sepasang materi / antimateri (kiri) dari energi murni [foton] adalah reaksi yang sepenuhnya dapat dibalikkan (kanan), materi / antimateri dapat memusnahkan, berubah menjadi energi murni. Proses penciptaan dan pemusnahan, mematuhi persamaan E = mc ² adalah satu-satunya cara yang diketahui untuk membuat dan menghancurkan materi atau antimateri.

Penafsiran standar dari fakta-fakta ini adalah bahwa, meskipun tidak jelas bagaimana, tetapi di masa lalu Semesta, materi muncul lebih dari antimateri. Dalam gambar standar dari Big Bang yang panas, ketika Semesta masih sangat muda, sejumlah besar pasangan partikel-antipartikel diciptakan untuk semua partikel yang diketahui (dan bahkan yang akan kita temukan nanti). Ini karena pada suhu dan kepadatan yang tinggi dimungkinkan untuk secara spontan menghasilkan pasangan partikel-antipartikel baru dari energi murni, berkat Einstein E = mc ² . Dalam jumlah yang sama, uap-uap ini musnah, lagi-lagi menghasilkan energi murni (foton). Dengan pendinginan alam semesta, energi untuk membuat pasangan baru berakhir, dan pemusnahan mulai berlaku.


Dengan perluasan dan pendinginan Alam Semesta, partikel yang tidak stabil dan peluruhan antipartikel, pasangan materi-antimateri musnah, dan foton tidak lagi dapat bertabrakan dengan energi yang cukup besar untuk menciptakan partikel baru.

Jika kita tidak memiliki asimetri materi dan antimateri, kita akan memiliki Semesta di mana untuk setiap proton ada 10 ²⁰ foton dan satu antiproton. Akan ada jumlah elektron dan positron yang sama dengan proton dan antiproton - dan itu saja. Namun, sebaliknya, kita mengamati Semesta, di mana untuk setiap proton ada “hanya” 1-2 miliar foton. Kami berasumsi bahwa di Alam Semesta awal ada proses asimetris tertentu yang menghasilkan asimetri ini. Contoh sederhananya adalah penciptaan set partikel dan antipartikel baru dengan preferensi yang berbeda terkait saluran peluruhan, yang dapat mengarah pada sedikit keuntungan materi dibandingkan antimateri.


Kumpulan boson materi dan antimateri yang simetris (X, Y, anti-X dan anti-Y) dapat, dengan sifat-sifat tertentu dari Teori Unifikasi Besar , menghasilkan asimetri materi antimateri yang kita amati di Semesta hari ini.

Bagaimana dengan ide baru kita? Bagaimana jika, pada suatu saat awal, sesuatu menyebabkan antimateri runtuh ke dalam lubang hitam, meninggalkan materi normal di belakang? Bagaimanapun, kami benar-benar mengamati BH supermasif awal dalam jumlah besar! Namun, asal mereka belum tentu masalah atau motivasi yang baik untuk mendukung ide yang tidak biasa. Segala sesuatu yang dapat dijelaskan tanpa keterlibatan fisika baru perlu dijelaskan sedemikian rupa, dan untuk BH supermasif, kami berpikir bahwa itu semua adalah masalah keruntuhan langsung. Untuk beberapa BH, untuk penampilan, tidak perlu bahwa pada awalnya ada bintang yang akan terbakar dan berubah menjadi supernova; mereka hanya runtuh, yang dapat menimbulkan “benih” BH yang cukup besar cukup cepat untuk menjelaskan keberadaan quasar muda yang kita amati hari ini.


Quasar besar terpencil di intinya memiliki lubang hitam supermasif. Mereka sangat sulit untuk dibuat tanpa "benih" besar, tetapi lubang hitam kehancuran langsung dapat dengan elegan memecahkan teka-teki ini. Kita juga dapat menghitung massa BH pusat berdasarkan sifat quasar, dan meskipun mereka sangat besar, mereka mengandung massa jauh lebih sedikit daripada materi normal di Semesta.

Jadi jangan melihat ke arah lubang hitam supermasif. Ada juga ide lubang hitam primer , yang secara berkala dibangkitkan sebagai kandidat untuk menjelaskan materi gelap. Mereka tidak bisa terlalu ringan, atau mereka akan menguap dengan sangat cepat; mereka tidak boleh terlalu berat, atau kita akan melihatnya. Sebagian besar kesenjangan massa yang harus dipasangkan dengan massa BH primer, mengklaim untuk menjelaskan massa yang hilang dari Semesta, telah dikeluarkan atau dimasukkan ke dalam kerangka kerja yang sangat ketat. Membuat BH primer membutuhkan fluktuasi kepadatan (penyimpangan dari kepadatan rata-rata) 68%, tetapi di Alam Semesta awal, fluktuasi terbesar tidak menyimpang dari kerapatan rata-rata lebih dari 0,006%. Faktanya, satu-satunya rentang massa yang diizinkan yang sesuai dengan mana BH primer dapat bertanggung jawab atas sebagian besar materi gelap telah ditolak oleh LIGO. Pengamatannya tentang tingkat fusi BH menunjukkan bahwa massa total BH ini mengandung 10 hingga 100 massa matahari tidak melebihi 0,000017% dari kerapatan kritis.


Pembatasan materi gelap, terdiri dari BH primer. Satu-satunya "jendela" di mana materi gelap dapat terdiri dari lubang hitam baru-baru ini telah ditutup oleh pembatasan yang diperoleh dari LIGO pada latar belakang stokastik lubang hitam hanya dari celah massa semacam itu.

Selanjutnya, kami dapat memperkirakan massa total BH di Semesta, dan jumlahnya sekitar 0,007% dari total energi . Mengingat bahwa ada 700 kali lebih banyak materi normal daripada BH, antimateri tidak dapat bersembunyi di dalamnya; antimateri tidak memunculkan BH.

Tetapi kita memiliki cara lain untuk mengetahuinya: hukum fisika memiliki aturan simetri yang harus dipenuhi oleh materi dan antimateri. Salah satu aturan ini berlaku untuk gaya yang bekerja pada partikel: tidak peduli gaya apa yang bekerja pada suatu partikel, gaya dengan kekuatan yang sama (mungkin dengan tanda yang berlawanan) harus bekerja pada antipartikel. Tetapi ini bekerja dua arah, oleh karena itu tidak ada kekuatan yang hanya bekerja pada antimateri. Jika Anda ingin sesuatu bertindak berdasarkan antimateri Alam Semesta, ia juga harus bertindak berdasarkan materi.


Perubahan partikel menjadi antipartikel dan refleksi simultan mereka di cermin adalah invarian CP. Jika anti-mirror berbeda secara normal, invarian dilanggar. Simetri waktu, atau T, rusak jika CP rusak. Simetri gabungan C, P, dan T harus dipertahankan menurut hukum fisika saat ini, yang memengaruhi interaksi mana yang dapat terjadi dan mana yang tidak.

Oleh karena itu, mengingat hukum fisika yang ada, kami yakin antimateri tidak dapat sepenuhnya runtuh dan berubah menjadi lubang hitam, meninggalkan materi normal di belakang. Jika jumlah materi gelap dan normal sama, alasan seperti itu masuk akal, tetapi poin-poin berikut:

• kita tidak membutuhkan fisika eksotis untuk penampakan BH supermasif di Semesta awal;
• BH primer tidak cocok dengan gagasan pembentukan struktur Semesta, dan keberadaan sebagian besar darinya, sebagian besar, dikeluarkan;
• antimateri dilarang untuk mengalami interaksi yang mengarah ke transformasi mereka menjadi BH, sementara BH tidak akan mungkin dari materi normal.

cukup untuk kembali ke gambar standar. Entah bagaimana, Semesta menghasilkan lebih banyak materi daripada antimateri, pada titik tertentu di masa lalu yang sangat jauh, dan itulah sebabnya Anda dan saya bisa muncul. Cara terjadinya hal ini tetap menjadi salah satu misteri terbesar dalam fisika saat ini.


Alam semesta awal dipenuhi dengan materi dan antimateri, yang berada di lautan radiasi. Tetapi ketika semua ini dimusnahkan setelah pendinginan, sedikit masalah tetap ada. Deskripsi akurat dari proses ini dikenal sebagai masalah baryogenesis , dan tetap menjadi salah satu masalah terbesar yang belum terpecahkan dalam fisika.