Miksi maailmankaikkeuksemme pyörii enemmän kuin sen omituinen vastine antimateria - ja miksi meitä on olemassa ollenkaan - on yksi modernin fysiikan hämmentävimmistä arvoituksista.
Jotenkin, kun maailmankaikkeus oli uskomattoman nuori, melkein kaikki antimateria katosi, jättäen vain normaalit asiat. Teoreetikot ovat kauan kiinnittäneet aina vaikean selityksen - ja mikä tärkeämpää, tapa testata selitys kokeilla.
Nyt teoreetikkojen kolmikko on ehdottanut, että Higggin bosoneiksi kutsuttujen hiukkasten kolmio voisi olla vastuussa maailmankaikkeuden salaperäisestä katoavasta antimaterian toiminnasta. Ja he luulevat tietävänsä, kuinka löytää epäillyt syylliset.
Puuttuvan antimaterian tapaus
Lähes jokaisessa alaatomisten hiukkasten välisessä vuorovaikutuksessa antimateria (joka on identtinen normaalin aineen kanssa, mutta jolla on vastakkainen varaus) ja normaali aine tuotetaan yhtä suuressa määrin. Se näyttää olevan universumin perustavanlaatuinen symmetria. Ja silti, kun menemme ulos katsomaan samaa universumia, näemme tuskin mitään antimateriaa. Fyysikkojen mukaan jokaisessa antimateriaalin hiukkasessa, joka edelleen roikkuu, on noin miljardi normaalin aineen hiukkasta, kaikkialla kosmossa.
Tämä mysteeri kulkee monilla nimillä, kuten aineen epäsymmetriaongelma ja baryonin epäsymmetriaongelma; nimestä riippumatta, se on fyysikoiden kompastettu. Tähän mennessä kukaan ei ole pystynyt tarjoamaan johdonmukaista, johdonmukaista selitystä aineen hallitsevuudesta antimateriaalin suhteen, ja koska fyysikoiden tehtävänä on selittää luonnon toimivuudesta, se alkaa ärsyttää.
Luonto jätti kuitenkin joitain vihjeitä makaamaan meidän ympärilleen palapelin. Esimerkiksi mitään todisteita monien antimateriaalien esiintymisestä ei ilmene ns. Kosmisessa mikroaaltotaustassa - lämmöstä, joka on jäljellä Isosta Bangista, maailmankaikkeuden syntymästä. Tämä viittaa siihen, että kaprista esiintyi hyvin varhaisessa universumissa. Ja varhainen maailmankaikkeus oli melko hullu paikka, kaikenlaisilla monimutkaisilla, huonosti ymmärretyillä fysiikoilla. Joten jos aine ja antimateria jakautuvat toisiinsa, se on hyvä aika tehdä se.
Syytä Higgsiä
Itse asiassa paras aika antimaterian katoamiselle on universumimme lyhyessä, mutta myrskyisessä vaiheessa, jolloin luonnon voimat jakautuivat kosmoksen jäähtyessä.
Korkeilla energioilla (kuten hiukkaskolarittajan sisällä) sähkömagneettinen voima ja heikko ydinvoima yhdistävät voimansa uuden voiman muodostamiseksi: sähkövirta. Kun asiat jäähtyvät ja palautuvat normaaliin päivittäiseen energiaan, sähkövirta jakaa kuitenkin tuttuihin kahteen voimaan.
Vielä korkeammilla energioilla, kuten ison räjähdyksen ensimmäisillä hetkillä löydetyillä, luulemme, että voimakas ydinvoima sulautuu sähkövirtaan ja vielä korkeammilla energioilla painovoima yhdistää puolueen yhdeksi yhtenäiseksi voimaksi. Mutta emme ole vielä selvittäneet kuinka painovoima pääsee peliin.
Higgsin bosoni, jonka ehdotettiin olevan olemassa 1960-luvulla, mutta jota ei löydetty ennen vuotta 2012 suuren hadronin kolarittimen sisällä, suorittaa sähkömagneettisen voiman jakamisen heikosta ydinvoimasta. Fyysikot ovat melko varmoja siitä, että aineen ja antimaterian jakautuminen tapahtui ennen kuin kaikki neljä luonnonvoimaa putosivat paikoilleen omina kokonaisuuksina; se johtuu siitä, että meillä on melko selkeä käsitys universumin fysiikasta jakautumisen jälkeen, ja liiallisen antimaterian lisääminen myöhemmissä aikakausina rikkoo kosmisen mikroaaltotaustan havaintoja).
Sellaisenaan ehkä Higgsin bosonilla on rooli.
Mutta Higgs sinänsä ei voi leikata sitä; ei ole olemassa mitään tunnettua mekanismia, joka käyttää vain Higgsia aiheuttamaan epätasapainon aineen ja antimaterian välillä.
Onneksi Higgin tarina ei ehkä ole ohi. Fyysikot ovat löytäneet yksittäisen Higgs-bosonin törmäyskokeista, joiden massa on noin 125 miljardia elektronivoltta, tai GeV - vertailun vuoksi protoni painaa noin 1 GeV.
Osoittautuu, Higgs ei ehkä ole yksin.
On täysin mahdollista, että ympärillä leijuu enemmän Higgsin bosoneja, jotka ovat massiivisempia kuin mitä tällä hetkellä voimme havaita kokeissamme. Nykyään nuo harvinaisimmat Higgsit, jos niitä on, eivät tekisi paljon, eivät todellakaan osallistu mihinkään fysiikkaan, johon pääsemme törmäyslaitteidemme kanssa - Meillä ei vain ole tarpeeksi energiaa "aktivoida" heidät. Mutta maailmankaikkeuden alkuaikoina, kun energioita oli paljon, paljon korkeampia, muut Higgit olisivat voineet aktivoitua, ja nuo Higgit saattoivat olla aiheuttaneet epätasapainon tietyissä perustavanlaatuisissa hiukkasten vuorovaikutuksissa, mikä on johtanut moderniin epäsymmetriaan aineen ja antimaterian välillä.
Salaperäisen ratkaisu
Äskettäisessä verkossa julkaisussa arXiv-esikartatlehdessä kolme fyysikkoa ehdotti mielenkiintoista potentiaalista ratkaisua: Ehkä kolme Higgsin bosonia (nimeltään "Higgs Troika") pelasi kuumaa perunaa varhaisessa maailmankaikkeudessa tuottaen normaalin aineen tulvan. . Kun asia koskettaa antimateriaa - huono - kaksi tuhoutuvat ja katoavat.
Ja niin suurin osa kyseisestä ainevirrasta tuhoaisi antimateriaalin, höyryttäen sen melkein kokonaan olemassaolosta säteilyvirtaan. Tässä skenaariossa olisi tarpeeksi normaalia asiaa jäljellä nykypäivän maailmankaikkeuteen, jota tunnemme ja rakastamme.
Tämän työn tekemiseksi teoreetikot ehdottavat, että trio sisältää yhden tunnetun Higgs-hiukkasen ja kaksi aloittelijaa, joiden jokaisen tämän duo on massa noin 1000 GeV. Tämä luku on puhtaasti mielivaltainen, mutta se valittiin nimenomaan tekemään tästä hypoteettisesta Higgsistä mahdollisesti löydettävissä seuraavan hiukkaskokoamislaitteen kanssa. Ei voida ennustaa hiukkasen olemassaoloa, jota ei voida koskaan havaita.
Fyysikoilla on sitten haaste. Riippumatta siitä, mikä mekanismi aiheuttaa epäsymmetrian, on annettava aineelle reuna antimateriaalista kertoimella miljardi yhdelle. Ja sillä on varhaisessa universumissa hyvin lyhyt aika tehdä oma juttu; kun joukot jakautuvat, peli on ohi ja fysiikka, kuten tiedämme, on lukittu paikoilleen. Ja tämän mekanismin, mukaan lukien kaksi uutta Higgsia, on oltava testattavissa.
Lyhyt vastaus: He pystyivät tekemään sen. Se on ymmärrettävästi erittäin monimutkainen prosessi, mutta kokonaisvaltainen (ja teoreettinen) tarina menee näin: Kaksi uutta Higgsiä hajoaa hiukkasten suihkuiksi hieman erilaisilla nopeuksilla ja hieman erilaisilla ainevalinnoilla kuin antimateria. Nämä erot kasvavat ajan myötä, ja kun sähkövirtavoima hajoaa, universumiin "sisäänrakennettujen" aineen ja antimaterian hiukkaspopulaatioiden välillä on tarpeeksi eroa, että normaali aine lopulta hallitsee antimateriaalia.
Toki, tämä ratkaisee baryonin epäsymmetriaongelman, mutta johtaa välittömästi heti kysymykseen, mitä luonto tekee niin monilla Higgs-bosoneilla. Mutta otamme asiat askel kerrallaan.
