Miks meie universum keerleb rohkema mateeriaga kui selle veider vastasmõju - ja miks me üldse eksisteerime -, on tänapäevase füüsika üks kõige hämmastavamaid mõistatusi.
Millegipärast, kui universum oli uskumatult noor, kadus peaaegu kogu antimaterjal, jättes alles tavalised asjad. Teoreetikud on pikka aega jälginud üha raskemat seletust - ja mis veelgi olulisem - viis selle seletuse katsetamiseks.
Nüüd on teoreetikute kolmik teinud ettepaneku, et kolm osa osakestest, mida nimetatakse Higgsi bosoniteks, võiks olla vastutav universumis toimuva salapärase antimaterjalide kaduva akti eest. Ja nad arvavad, et nad teavad, kuidas leida kahtlustatavad süüdlased.
Kadunud antimaterjali juhtum
Peaaegu igas subatomaatiliste osakeste vastastikmõjus tekivad antimaterjal (mis on normaalse ainega identne, kuid vastupidise laenguga) ja normaalne aine võrdsel määral. See näib olevat universumi põhimõtteline sümmeetria. Ja veel, kui me läheme välja vaatama seda sama universumit, näeme peaaegu üldse antimaterjali. Nii palju kui füüsikud saavad öelda, on igas antiaine osakese kohta, mis endiselt ripub, kogu kosmoses umbes miljard normaalse aine osakesi.
See müsteerium kannab paljusid nimesid, nagu näiteks asümmeetriaprobleem ja barüooni asümmeetriaprobleem; olenemata nimest, on selles füüsikud kännud. Praeguse seisuga pole keegi suutnud ühtset ja järjepidevat selgitust mateeria domineerimise kohta antimaterjalides ja kuna füüsikute ülesanne on selgitada, kuidas loodus töötab, hakkab see ärrituma.
Loodus jättis siiski mõned vihjed meie ümber peitmiseks. Näiteks ei ilmne kosmiliste mikrolainete taustal paljude antimaterjalide kohta - soojus, mis on jäänud Suurest Paugust, universumi sünnist. See viitab sellele, et kappar tekkis väga varases universumis. Ja varajane universum oli päris hull koht, kus toimus igasugu keeruline, halvasti mõistetav füüsika. Nii et kui mateeria ja antimaterjal hakkavad lahku minema, on selleks hea aeg.
Süüdistage Higgsi
Tegelikult on antimaterjali kadumiseks parim aeg lühikese, kuid tormaka epohhi ajal meie universumis, kui loodusjõud jagunesid kosmose jahtumisel.
Kõrgete energiaallikate (nagu osakeste põrkepiirkonna sees olevad energiad) korral ühendavad elektromagnetiline jõud ja nõrk tuumajõud oma jõud, moodustades uue jõu: elektrilöögi. Kui asjad on jahtunud ja naasnud normaalse igapäevase energia juurde, jaguneb elektrilöök aga tuttavaks kaheks jõuks.
Veelgi kõrgemate energiate korral, nagu need, mis leiti Suure Paugu esimestel hetkedel, arvame, et tugev tuumajõud sulandub elektrilöögiga ja veel kõrgemate energiate korral ühendab gravitatsioon partei üheks ühtseks jõuks. Kuid me pole veel päris täpselt välja mõelnud, kuidas gravitatsioon mängu siseneb.
1960. aastatel eksisteerida kavatsetud Higgsi boson, mida ei avastatud Suure Hadroni põrkepiirkonnas alles 2012. aastal, teeb elektromagnetilise jõu lõhestamiseks nõrga tuumajõu. Füüsikud on üsna kindlad, et aine ja antimaterjali lõhenemine toimus enne, kui kõik neli loodusjõudu said omaenda olemina paika; sellepärast, et meil on päris selge arusaam universumi füüsikast pärast lõhenemist ja kui hilisemates ajajärkudes liiga palju antimaterjali lisada, rikub see kosmilise mikrolaine tausta tähelepanekuid).
Sellisena mängib võib-olla rolli Higgsi boson.
Kuid Higgs iseenesest ei saa seda kärpida; pole teada mehhanismi, mis kasutab ainult Higgsi, et tekitada tasakaalustamatus aine ja antimaterjali vahel.
Õnneks ei pruugi Higgsi lugu lõppenud olla. Füüsikud on põrkekatsetes leidnud ühe Higgsi bosoni, massiga umbes 125 miljardit elektronvolti ehk GeV - võrdluseks kaalub prooton 1 GeV.
Selgub, et Higgs ei pruugi olla üksi.
On täiesti võimalik, et ümberringi hõljub rohkem Higgsi bosone, mis on massiivsemad, kui me praegu oma katsetes tuvastada võime. Tänapäeval ei teeks need kopsakad Higgid, kui nad oleksid olemas, palju ära, mitte ei osaleks tegelikult üheski füüsikas, millele meie põrkujatega juurde pääseme - Meil lihtsalt pole piisavalt energiat nende "aktiveerimiseks". Kuid universumi esimestel päevadel, kui energiad olid palju, palju kõrgemad, võisid teised Higgid aktiveeruda ja need Higgid võisid põhjustada tasakaalustamatuse teatavates fundamentaalsetes osakeste vastasmõjudes, mis viisid tänapäevase asümmeetriani mateeria ja antimaterjali vahel.
Müsteeriumi lahendamine
Hiljutises veebiväljaandes arXiv eeltrükiajakirjas pakkusid kolm füüsikut välja huvitava võimaliku lahenduse: Võib-olla mängisid kolm Higgsi bosonit (nimetatud "Higgsi kolmikuks") varajases universumis kuuma kartuli mängu, tekitades normaalse aine üleujutuse. . Kui asi puudutab antimaterjali - vaene - hävivad ja kaovad kaks.
Ja nii hävitaks suurem osa sellest ainevoost antimaterjali, ujutades selle radiatsiooni tulvades peaaegu täielikult olemasolust välja. Selles stsenaariumis oleks piisavalt normaalset asja, et viia tänapäeva universumisse, mida me tunneme ja armastame.
Selle töö tegemiseks soovitavad teoreetikud, et kolmik hõlmaks ühte teadaolevat Higgsi partiklit ja kahte uustulnukat, kusjuures iga selle duo mass oleks umbes 1000 GeV. See arv on puhtalt meelevaldne, kuid valiti spetsiaalselt selleks, et muuta see hüpoteetiline Higgs potentsiaalselt leitavaks osakeste põrkeseadmete järgmise põlvkonnaga. Selle osakese olemasolu ennustamiseks, mida ei saa kunagi tuvastada, pole mingit kasu.
Füüsikutel on siis väljakutse. Ükskõik, milline mehhanism põhjustab asümmeetriat, peab andma antimaterjalist eelise koefitsiendiga miljard ühele. Ja varajases universumis on oma asja ajamiseks väga lühike aeg; kui jõud on jagunenud, on mäng läbi ja füüsika, nagu me teame, on oma kohale lukustatud. Ja see mehhanism, sealhulgas kaks uut Higgit, peab olema kontrollitav.
Lühike vastus: nad said sellega hakkama. See on arusaadavalt väga keeruline protsess, kuid kõikehõlmav (ja teoreetiline) lugu läheb umbes nii: Kaks uut Higgsi lagunevad osakeste dušiteks pisut erineva kiirusega ja mateeria eelistustega võrreldes antimaterjaliga pisut erinevalt. Need erinevused aja jooksul suurenevad ja kui elektrilöögi jõud lõheneb, on universumisse "sisse ehitatud" mateeria ja antimaterjali osakeste populatsioonides piisavalt palju erinevusi, et normaalne mateeria domineerib antimaterjali kohal.
Muidugi, see lahendab barüoni asümmeetriaprobleemi, kuid viib kohe küsimuseni, mida loodus nii paljude Higgsi bosonitega teeb. Kuid me võtame asjad üks samm korraga.
