Откуда взялась темная материя? Физики выяснили, как возникла видимая материя во вселенной
МОСКВА, 25 фев - РИА Новости. Возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса - особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса, заявляют физики в статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters .
Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва существовало равное количество материи и антиматерии. Сегодня мир заполнен материей, и этот факт является физической загадкой, так как частицы материи и антиматерии должны были уничтожить друг друга в тот момент, когда они появились в кварковом "супе" будущей Вселенной. Поэтому возникает вопрос — куда "пропала" антиматерия и почему существует Вселенная.
Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим Адронным Коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".
По теории Хиггса, Вселенную пронизывает особое поле, с которым взаимодействуют все существующие элементарные частицы: чем сильнее они сцепляются с полем, тем выше будет их масса. Если это поле существует, то должны существовать и бозоны Хиггса — особые частицы, отвечающие за его взаимодействие с протонами, электронами и другими проявлениями видимой и темной материи. Как и другие бозоны, кроме фотона, «частица бога» распадается очень быстро — она живет в среднем 0,1 зептосекунды (триллионных долей наносекунды).
Изучая следы этих распадов, группа Кусенко заметила, что поле Хиггса, благодаря особым свойствам "частицы бога", могло временно перейти в относительно нестабильное энергетическое состояние во время первого расширения Вселенной непосредственно после Большого взрыва. Кусенко и его коллеги предположили, что "сдвиги" поля во время этого периода жизни Вселенной могли послужить причиной появления неоднородностей в долях материи и антиматерии.
Руководствуясь этой идеей, авторы статьи провели массу расчетов и построили компьютерную модель будущей Вселенной, которая учитывала нестабильность поля Хиггса. По их расчетам, нет никаких физических препятствий для того, чтобы такой сценарий мог быть осуществлен во время рождения Вселенной.
При достаточно медленном снижении энергии поля Хиггса, оно начнет своеобразным образом "вибрировать", и направление первой, самой сильной такой вибрации определит то, какой тип материи будет населять Вселенную. Это произойдет потому, что в такой момент массы частиц и античастиц будут временно разными, из-за чего формирование одного типа из них будет резко замедленно.
Вероятно, самое важное, что объясняет инфляция,- то, откуда в нашей Вселенной взялся один лишний барион на миллиард и откуда вообще во Вселенной появилась материя. Но сначала нам нужно заполнить пару пробелов, имеющих отношение к материи и антиматерии.
Мы уже упоминали о том, что частицы и античастицы - попросту злобное альтер эго друг друга. Заметим ли мы, если какой-нибудь маньяк примчится на крыльях ночи и заменит все кварки антикварками, все электроны позитронами, а все нейтрино - антинейтрино и так далее? Это физики называют зарядовой симметрией. Согласно всему, что мы вам до сих пор говорили, все останется прежним.
До сих пор мы не говорили о том, каким образом зарядовая симметрия влияет на нашу Вселенную, но влияние это должно быть очень сильным, ведь очевидно, что все сделано именно из материи, а не из антиматерии. Как выясняется, нейтрино и антинейтрино не совсем одинаковы. Оба вертятся, как заведенные, но эксперименты показывают, что все нейтрино крутятся по часовой стрелке, а все антинейтрино - против часовой стрелки.
На первый взгляд кажется, что это не играет никакой роли,- но получается, что если заменить все частицы античастицами, разница все-таки будет. Но все можно исправить - стоит лишь не только заменить частицы античастицами, но и поменять местами право и лево. Это называется четностью или симметрией четности. В результате «почасовой стрелке» превратится в «против часовой стрелки» и наоборот.
Главный вопрос: если мы изменим и зарядовую, и параллельную симметрию, будет ли физика вести себя по-прежнему? Если да, значит, Вселенная не различает материю и антиматерию, и у нас нет ни малейшего представления, почему в нашей Вселенной в избытке и того и другого.
Тут к нам на помощь в очередной раз приходят эксперименты с ускорителями. При высоких энергиях производятся частицы под названием каоны - вместе со своими античастицами. По большей части - каоны и антиКаоны ведут себя одинаково и при распаде образуют очень похожие продукты. Однако примерно в одном случае из тысячи каоны производят не такие Продукты распада, как антикаоны. Это крошечный феномен - но он показывает, что Вселенная на самом деле различает материю и антиматерию.
Суть в том, что как раз в конце эпохи великой унификации энергии были достаточно высоки» чтобы создавать гипотетическую частицу под названием Х-бозон. Х-бозоны были очень массивны и быстро распадались на другие частицы, в том числе на кварки и антикварки,- но их было не поровну. А вот анти-Х-бозон, по всей видимости, вел себя как раз противоположным образом, и в среднем эти частицы взаимоуничтожались. С другой стороны, если считать, что Х-бозоны вели себя как каоны, то есть античастицы не всегда в точности отражали обычные частицы, значит, мы получали несколько дополнительных кварков, а в конечном итоге - несколько лишних барионов.
Так что если вы хотите сказать крошке Вилли, откуда он (и вся остальная материя во Вселенной) взялся, следует сказать ему, что все мы произошли от нарушения симметрии в первые 10 -35 секунд жизни Вселенной.
- Перевод
Увидев свою копию, состоящую из антиматерии, которая бежит к вам навстречу, хорошенько подумайте перед тем, как обнимать её.
- Дж. Ричард Готт III
Возможно, вы не задумывались над тем, что вся Земля и всё, что на ней есть, создано из материи. Это кажется интуитивным и по-другому быть не может. Однако законы природы пока не рассказали нам, почему Вселенная так устроена.
Читатель спрашивает:
Правда ли, что на заре Вселенной материя и антиматерия были созданы в равных количествах? А если нет, известно ли, отчего возникло такое неравенство?
А если их количество было одинаково, почему антиматерии так мало? Есть ли механизм объяснения превалирования материи над антиматерией в видимой части Вселенной?
Задумайтесь над этим.
Вот – часть Вселенной. Сотни миллиардов звёзд и звёздных систем существуют только в нашей галактике. Сотни миллиардов галактик есть в обозримой части Вселенной. Из них всех мы изучили лишь нашу собственную звёздную систему, которая, что неудивительно, оказалось созданной из материи, а не антиматерии.
Но, судя по всему, вся остальная Вселенная также сделана из материи. Точнее сказать, материала во Вселенной полно, и если бы где-то была часть, сделанная из антиматерии, мы бы стали свидетелями грандиозной катастрофы, когда материя и антиматерия встретились бы.
К примеру, пространство между звёзд в галактиках, полно материалом, даже если там нет звёзд. Космос обширен, и плотность материи низка. Можно подсчитать – если бы мы швырнули одну частицу антиматерии (допустим, антипротон) в космосе, сколько бы она прожила перед встречей с частицей из материи и аннигиляцией. В среднем в межзвёздном пространстве нашей галактики она просуществовала бы 300 лет – что по сравнению с возрастом галактики ничто. Это ограничение говорит о том, что среди материи могут присутствовать частицы антиматерии лишь в количестве порядка 1 частицы на 10 15 .
На более крупных масштабах мы нанесли на карту галактики и их кластеры, посмотрели вокруг на разных длинах волн, включая видимый свет, инфракрасные волны, микроволны, радио, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи. Конкретно рентгеновские и гамма-лучи очень важны для наблюдений, потому что при аннигиляции материи и антиматерии они испускают характерное высокоэнергетическое излучение, которое мы можем засечь.
Изучив 55 галактических кластеров, на расстояниях от нескольких миллионов световых лет до трёх миллиардов, мы увидели, что и на космических масштабах 99.999%+ всей материи – это обычная материя, а не антиматерия.
И всё-таки это неожиданно. Возможно, вы слышали что-то о формуле E = mc 2 , и вы знаете, что она утверждает, что не только в массе содержится энергия, но что можно создать и частицу, имея на руках достаточное для этого количество энергии. Но это ещё не всё.
Как мы установили в лабораторных опытах на Земле, единственный способ создать материю – взять в два раза больше энергии, чем говорит формула E = mc 2 , и создать одинаковое количество материи и антиматерии. И наоборот, уничтожить материю мы можем, только столкнув её с антиматерией, в результате чего выделяется чистая энергия. И все законы физики говорят, что это справедливо в любое время для любых энергий.
И тем не менее, наша Вселенная перед нами.
Если бы мы начали с Большого взрыва, то в конце инфляции, со всеми нужными начальными условиями и известными законами физики, у нас получилось бы такое состояние:
- Вселенная была бы горячей, плотной, расширяющейся, наполненной излучением и равными долями материи и антиматерии.
- Материя и антиматерия сталкивались бы, аннигилировали, превращаясь в излучение, а высокоэнергетические частицы сталкивались бы друг с другом, спонтанно создавая новые частицы из материи и антиматерии в равных долях, с избытком энергии.
- Вселенная бы расширялась и охлаждалась, и при этом энергия и плотность бы падали.
Но, если энергия падает, высокоэнергетическим частицам становится сложнее производить новые пары материя/антиматерия (b), в результате чего уменьшается количество реакций превращения материи и антиматерии в излучение. Но при падении плотности, парам материя/антиматерия становится сложнее найти друг друга (а), в результате чего количество этих встреч не упадёт до нуля. Всегда найдутся остатки материи и антиматерии.
И тут начинаются странности. По всем вычислениям, исходя из известных законов физики и наших опытов, должно быть 10 20 частиц излучения на каждую частицу материи или антиматерии. Но в нашей вселенной их всего миллиард, 10 9 штук, на одну частицу материи. А антиматерии вообще очень мало.
Так откуда взялась лишняя материя? Почему появилась лишняя материя, но не антиматерия? И когда? И как?
Честно говоря, это – одна из самых больших неразрешённых загадок физики. Но если мы не знаем всего, это не значит, что у нас вообще нет каких-то ключей к разгадке. К примеру, с 1960-х годов известно, что удовлетворив трём следующим условиям:
- отсутствие равновесия
- несохранение барионного числа
- нарушения C- и СР-инвариантности
Можно создать больше материи, чем антиматерии (или наоборот). Более того, асимметрия в этом случае просто неизбежна. И, к счастью, двум из этих критериев легко удовлетворить.
«Отсутствие равновесия» происходит, когда некие события в одной части системы не влияют на другую часть, поскольку информация не успевает дойти до них. Расширяющаяся Вселенная – прекрасный пример системы, в которой по определению отсутствует равновесие, а приведённое описание возникновения и аннигиляции материи и антиматерии при расширении и охлаждении Вселенной – прекрасный пример неравновесного процесса.
Также есть много примеров различия между материей и антиматерией, и нарушения различных симметрий. Одна из них – симметрия зарядового сопряжения, или С-симметрия. Если вы замените все частицы на античастицы, и С-симметрия сохраняется, тогда система будет вести себя точно так же. Ещё одна – симметрия чётности, P-симметрия. Если она сохраняется, то реальная система и её зеркальное отражение должны вести себя одинаково.
Нестабильная частица вроде вращающегося мюона распадётся конкретным способом – испустив электрон в определённую сторону согласно спину. Если отразить это в зеркале (Р), то электрон будет испущен в противоположную сторону, чего в жизни не бывает. Если заменить мюон анти-мюоном (С), он испустит позитрон в изначальном направлении – а этого тоже не бывает. Но если заменить вращающийся мюон зеркальной копией вращающегося анти-мюона (С и Р, СР), можно было бы надеяться, что его распад должен происходить так же надёжно, как и распад мюона в реальном (не зеркальном) мире. Но этого не происходит. Есть и другие примеры нарушения С и СР симметрий, в системах к-мезонов или B-мезонов.
Поэтому, нам осталось только заполучить взаимодействия, не сохраняющие барионное число в достаточных количествах, иначе говоря, создающие барионы там, где их не было (а было нечто другое). К сожалению, тут нужна такая физика, которой в Стандартной модели нет.
Но механизмов таких придумано предостаточно:
- теории великого объединения, содержащие частицы GUT-масштабов
- теории с новыми скалярами, содержащими механизмы Аффлека-Дайна
- расширения Стандартной модели, включающие тяжёлые стерильные нейтрино
- теория избытка лептонов в молодой Вселенной (лептогенезис)
- новая физика электрослабого масштаба, которая может улучшить асимметрию между материей и антиматерией
Я вам подробно расскажу только один пример.
Представьте горячую, плотную, юную Вселенную. В дополнение к излучению и частицам материи и антиматерии, входящих в Стандартную модель, есть ещё одна частица (и античастица), Q (и анти-Q). Q – очень тяжёлая, сильно тяжелее протона, имеет положительный заряд +1 (как у протона) и появляется в изобилии в юной Вселенной, совместно со своими половинками, анти-Q, которые имеют ту же массу и противоположный заряд.
Поскольку они нестабильны, то при остывании Вселенной они прекратят создаваться. Большинство из них найдут друг друга и аннигилируют, а оставшиеся будут распадаться.
Для каждого варианта распада Q должен случиться соответствующий распад у анти-Q. Если Q распадается на протон и нейтрино, анти-Q должна распасться на антипротон и антинейтрино. Если Q распадается на антинейтрон и позитрон, анти-Q должна распасться на нейтрон и электрон.
Это не настоящие частицы, они приведены для примера. Но в разных теориях есть такие частицы, вроде X-и-Y бозонов в GUT и лептокварков в некоторых расширениях Стандартной модели, которые работают по очень похожим правилам.
В отсутствии нарушения СР-симметрии, они будут распадаться так же, как их противоположность.
Пока всё это скучно, этот процесс не создаст избытков массы. Но если мы допустим нарушение СР-симметрии, то разница между частицами и античастицами может быть в количестве распадов. Какой процент от Q распался на протоны и нейтрино, по сравнению с тем, какой процент от анти-Q распался на антипротоны и антинейтрино. У нас может получиться нечто, похожее на следующую картинку, что схоже с тем, что мы наблюдаем в системах с Каонами и B-мезонами. Заметьте различие между распадами Q и анти-Q.
Допустим, что наша Вселенная полна материи и антиматерии в равных долях, и излучений, которые мы проигнорируем. Допустим также, что есть куча Q и анти-Q в равном количестве, которые распадаются в соответствиями с теми нарушениями СР-симметрии, которые описаны выше.
Что останется?
Море протонов, нейтрино, антинейтрино, позитронов, антипротонов, антинейтрино, нейтронов и электронов. Это да. Но протонов и нейтрино будет больше, чем антипротонов и антинейтрино, и будет меньше антинейтронов и позитронов, чем нейтронов и электронов. Если мы проигнорируем лептоны (нейтрино, электроны и их античастицы), то вот, что нам оставит море распадающихся Q и анти-Q частиц.
И после того, как встретятся все пары материи и антиматерии, останется избыток материи по сравнению с антиматерией.
Какой-то вариант такого развития событий однозначно имел место и привёл к тому, что мы имеем разное количество материи и антиматерии, и что плотность материи (но не антиматерии) одинаково везде, где бы мы ни посмотрели. Даже, несмотря на то, что это одна из величайших неразрешённых задач в физике, мы многое про неё знаем, и это достойно пересказа.
МОСКВА, 25 фев - РИА Новости. Возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса - особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса, заявляют физики в статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters .
Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва существовало равное количество материи и антиматерии. Сегодня мир заполнен материей, и этот факт является физической загадкой, так как частицы материи и антиматерии должны были уничтожить друг друга в тот момент, когда они появились в кварковом "супе" будущей Вселенной. Поэтому возникает вопрос — куда "пропала" антиматерия и почему существует Вселенная.
Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим Адронным Коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".
По теории Хиггса, Вселенную пронизывает особое поле, с которым взаимодействуют все существующие элементарные частицы: чем сильнее они сцепляются с полем, тем выше будет их масса. Если это поле существует, то должны существовать и бозоны Хиггса — особые частицы, отвечающие за его взаимодействие с протонами, электронами и другими проявлениями видимой и темной материи. Как и другие бозоны, кроме фотона, «частица бога» распадается очень быстро — она живет в среднем 0,1 зептосекунды (триллионных долей наносекунды).
Изучая следы этих распадов, группа Кусенко заметила, что поле Хиггса, благодаря особым свойствам "частицы бога", могло временно перейти в относительно нестабильное энергетическое состояние во время первого расширения Вселенной непосредственно после Большого взрыва. Кусенко и его коллеги предположили, что "сдвиги" поля во время этого периода жизни Вселенной могли послужить причиной появления неоднородностей в долях материи и антиматерии.
Руководствуясь этой идеей, авторы статьи провели массу расчетов и построили компьютерную модель будущей Вселенной, которая учитывала нестабильность поля Хиггса. По их расчетам, нет никаких физических препятствий для того, чтобы такой сценарий мог быть осуществлен во время рождения Вселенной.
При достаточно медленном снижении энергии поля Хиггса, оно начнет своеобразным образом "вибрировать", и направление первой, самой сильной такой вибрации определит то, какой тип материи будет населять Вселенную. Это произойдет потому, что в такой момент массы частиц и античастиц будут временно разными, из-за чего формирование одного типа из них будет резко замедленно.