Woher kam die Dunkle Materie? Physiker haben herausgefunden, wie sichtbare Materie im Universum entstand

23.01.2024

MOSKAU, 25. Februar – RIA Nowosti. Ein möglicher Grund für das fast vollständige Fehlen von Antimaterie im Universum und das Vorherrschen gewöhnlicher sichtbarer Materie könnten die Bewegungen des Higgs-Feldes sein – einer besonderen Struktur, in der Higgs-Bosonen „leben“, sagen Physiker in einem Artikel, der zur Veröffentlichung in der Zeitschrift angenommen wurde Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Es wird angenommen, dass es in den ersten Augenblicken nach dem Urknall gleich viel Materie und Antimaterie gab. Heute ist die Welt mit Materie gefüllt, und diese Tatsache ist ein physikalisches Rätsel, da sich Materie- und Antimaterieteilchen in dem Moment, in dem sie in der Quark-„Suppe“ des zukünftigen Universums auftauchten, gegenseitig hätten zerstören sollen. Daher stellt sich die Frage: Wo ist die Antimaterie „verschwunden“ und warum existiert das Universum?

Der russisch-amerikanische Physiker Alexander Kusenko von der University of California in Los Angeles (USA) und seine Kollegen glauben, dass sie die Antwort auf dieses universelle Rätsel in den Daten finden konnten, die der Large Hadron Collider in der ersten Phase seiner Arbeit gesammelt hat Arbeit, als das Higgs-Boson, das berühmte „Gottesteilchen“, entdeckt wurde.

Nach der Higgs-Theorie ist das Universum von einem speziellen Feld durchzogen, mit dem alle existierenden Elementarteilchen interagieren: Je stärker sie an dem Feld haften, desto höher ist ihre Masse. Wenn dieses Feld existiert, müssen auch Higgs-Bosonen existieren – spezielle Teilchen, die für seine Wechselwirkung mit Protonen, Elektronen und anderen Erscheinungsformen sichtbarer und dunkler Materie verantwortlich sind. Wie andere Bosonen, mit Ausnahme des Photons, zerfällt das „Gottesteilchen“ sehr schnell – es lebt durchschnittlich 0,1 Zeptosekunde (Billionstel Nanosekunde).

Bei der Untersuchung der Spuren dieser Zerfälle stellte Kusenkos Gruppe fest, dass das Higgs-Feld dank der besonderen Eigenschaften des „Gottteilchens“ während der ersten Expansion des Universums unmittelbar nach dem Urknall vorübergehend in einen relativ instabilen Energiezustand eintreten konnte. Kusenko und seine Kollegen vermuteten, dass Feld-„Verschiebungen“ während dieser Zeit im Leben des Universums das Auftreten von Inhomogenitäten in den Fraktionen von Materie und Antimaterie verursachen könnten.

Ausgehend von dieser Idee führten die Autoren des Artikels zahlreiche Berechnungen durch und erstellten ein Computermodell des zukünftigen Universums, das die Instabilität des Higgs-Feldes berücksichtigte. Ihren Berechnungen zufolge gibt es keine physischen Hindernisse, die einer solchen Situation während der Geburt des Universums entgegenstehen.

Bei einer ausreichend langsamen Abnahme der Energie des Higgs-Feldes beginnt es auf besondere Weise zu „schwingen“, und die Richtung der ersten, stärksten Schwingung bestimmt, welche Art von Materie das Universum bevölkern wird. Dies geschieht, weil in einem solchen Moment die Massen von Teilchen und Antiteilchen vorübergehend unterschiedlich sind, weshalb die Bildung einer Art von Teilchen stark verlangsamt wird.

Das wahrscheinlich wichtigste, was die Inflation erklärt, ist, woher das eine zusätzliche Baryon in einer Milliarde in unserem Universum kommt und woher die Materie im Universum im Allgemeinen kommt. Aber zuerst müssen wir einige Lücken im Zusammenhang mit Materie und Antimaterie schließen.

Wir haben bereits erwähnt, dass Teilchen und Antiteilchen einfach böse Alter Egos voneinander sind. Werden wir es bemerken, wenn irgendein Wahnsinniger auf den Flügeln der Nacht hereinstürmt und alle Quarks durch Antiquarks, alle Elektronen durch Positronen und alle Neutrinos durch Antineutrinos usw. ersetzt? Physiker nennen dies Ladungssymmetrie. Nach allem, was wir Ihnen bisher gesagt haben, wird alles beim Alten bleiben.

Bisher haben wir nicht darüber gesprochen, wie sich die Ladungssymmetrie auf unser Universum auswirkt, aber dieser Einfluss dürfte sehr stark sein, denn es ist offensichtlich, dass alles aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Wie sich herausstellt, sind Neutrinos und Antineutrinos nicht genau dasselbe. Beide drehen sich wie ein Uhrwerk, aber Experimente zeigen, dass sich alle Neutrinos im Uhrzeigersinn und alle Antineutrinos gegen den Uhrzeigersinn drehen.

Auf den ersten Blick scheint dies keine Rolle zu spielen, aber es stellt sich heraus, dass es immer noch einen Unterschied gibt, wenn man alle Teilchen durch Antiteilchen ersetzt. Aber alles lässt sich korrigieren – man muss nur nicht nur Teilchen durch Antiteilchen ersetzen, sondern auch rechts und links vertauschen. Dies wird als Parität oder Paritätssymmetrie bezeichnet. Dadurch wird aus „im Uhrzeigersinn“ „gegen den Uhrzeigersinn“ und umgekehrt.

Die große Frage ist: Wenn wir sowohl die Ladung als auch die Parallelsymmetrie ändern, verhält sich die Physik dann immer noch gleich? Wenn ja, dann unterscheidet das Universum nicht zwischen Materie und Antimaterie, und wir haben keine Ahnung, warum unser Universum von beidem im Überfluss vorhanden ist.

Hier helfen uns erneut Experimente mit Beschleunigern. Bei hohen Energien entstehen Teilchen, sogenannte Kaonen – und ihre Antiteilchen. Kaonen und Anti-Kaonen verhalten sich größtenteils gleich und bilden beim Zerfall sehr ähnliche Produkte. Allerdings erzeugen Kaonen in etwa einem von tausend Fällen andere Zerfallsprodukte als Antikaonen. Es ist ein winziges Phänomen – aber es zeigt, dass das Universum tatsächlich zwischen Materie und Antimaterie unterscheidet.

Der Punkt ist, dass gerade am Ende der Ära der großen Vereinigung die Energien hoch genug waren, um ein hypothetisches Teilchen namens X-Boson zu erzeugen. Die X-Bosonen waren sehr massereich und zerfielen schnell in andere Teilchen, darunter Quarks und Antiquarks, allerdings nicht in gleicher Anzahl. Aber das Anti-X-Boson verhielt sich offenbar genau umgekehrt, und im Durchschnitt vernichteten sich diese Teilchen gegenseitig. Wenn wir andererseits davon ausgehen, dass sich die

Wenn Sie also dem kleinen Willie sagen wollen, woher er (und die ganze andere Materie im Universum) kommt, sollten Sie ihm sagen, dass wir alle aus einem Symmetriebruch in den ersten 10 bis 35 Sekunden des Lebens des Universums stammen.

Übersetzung

Wenn Sie eine Kopie von sich selbst aus Antimaterie sehen, die auf Sie zuläuft, denken Sie sorgfältig nach, bevor Sie sie umarmen.
- J. Richard Gott III

Sie haben vielleicht nicht darüber nachgedacht, dass die gesamte Erde und alles darauf aus Materie besteht. Das erscheint intuitiv und es könnte nicht anders sein. Die Naturgesetze haben uns jedoch noch nicht erklärt, warum das Universum so funktioniert.

Ein Leser fragt:

Stimmt es, dass zu Beginn des Universums Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden sind? Und wenn nicht, ist bekannt, warum es zu dieser Ungleichheit kam?
Und wenn ihre Zahl gleich wäre, warum gibt es dann so wenig Antimaterie? Gibt es einen Mechanismus, der das Vorherrschen von Materie gegenüber Antimaterie im sichtbaren Teil des Universums erklärt?

Denk darüber nach.

Dies ist ein Teil des Universums. Hunderte Milliarden Sterne und Sternensysteme existieren allein in unserer Galaxie. Im beobachtbaren Universum gibt es Hunderte Milliarden Galaxien. Von allen untersuchten wir nur unser eigenes Sternensystem, das, wenig überraschend, aus Materie und nicht aus Antimaterie entstand.

Aber offenbar besteht auch der Rest des Universums aus Materie. Genauer gesagt ist das Universum voller Materie, und wenn es irgendwo einen Teil aus Antimaterie gäbe, würden wir Zeuge einer großen Katastrophe werden, wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen.

Beispielsweise ist der Raum zwischen Sternen in Galaxien voller Materie, auch wenn dort keine Sterne sind. Der Weltraum ist riesig und die Dichte der Materie gering. Sie können berechnen: Wenn wir ein Antimaterieteilchen (z. B. ein Antiproton) in den Weltraum werfen würden, wie lange würde es leben, bevor es auf ein Materieteilchen trifft und vernichtet wird? Im interstellaren Raum unserer Galaxie würde es im Durchschnitt 300 Jahre lang existieren – was nichts ist im Vergleich zum Alter der Galaxie. Diese Einschränkung legt nahe, dass Antimaterieteilchen in der Materie nur in Mengen in der Größenordnung von 1 Teilchen pro 10 15 vorhanden sein können.

In größeren Maßstäben haben wir Galaxien und ihre Cluster kartiert und dabei verschiedene Wellenlängen untersucht, darunter sichtbares Licht, Infrarotwellen, Mikrowellen, Radio, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Insbesondere die Beobachtung von Röntgen- und Gammastrahlen ist sehr wichtig, denn wenn Materie und Antimaterie vernichtet werden, emittieren sie charakteristische energiereiche Strahlung, die wir erkennen können.

Nachdem wir 55 Galaxienhaufen in Entfernungen von mehreren Millionen bis drei Milliarden Lichtjahren untersucht hatten, stellten wir fest, dass im kosmischen Maßstab über 99,999 % der gesamten Materie gewöhnliche Materie und keine Antimaterie sind.

Und doch ist dies unerwartet. Vielleicht haben Sie schon einmal von der Formel E = mc 2 gehört und wissen, dass sie besagt, dass Masse nicht nur Energie enthält, sondern dass man mit genügend vorhandener Energie ein Teilchen erzeugen kann. Aber das ist noch nicht alles.

Wie wir in Laborexperimenten auf der Erde festgestellt haben, besteht die einzige Möglichkeit, Materie zu erzeugen, darin, doppelt so viel Energie wie in der Formel E = mc 2 angegeben zu nehmen und gleiche Mengen an Materie und Antimaterie zu erzeugen. Umgekehrt können wir Materie nur zerstören, indem wir sie mit Antimaterie kollidieren lassen, wodurch reine Energie freigesetzt wird. Und alle Gesetze der Physik besagen, dass dies jederzeit und für jede Energie gilt.

Und doch liegt unser Universum vor uns.

Wenn wir mit dem Urknall beginnen würden, dann würden wir am Ende der Inflation, mit allen notwendigen Anfangsbedingungen und bekannten Gesetzen der Physik, bei folgendem Zustand enden:

Das Universum wäre heiß, dicht, expandierend, gefüllt mit Strahlung und zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie.
Materie und Antimaterie würden kollidieren, sich zu Strahlung vernichten, und hochenergetische Teilchen würden miteinander kollidieren, wodurch spontan neue Teilchen aus Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen mit überschüssiger Energie entstehen würden.
Das Universum würde sich ausdehnen und abkühlen, gleichzeitig würden Energie und Dichte sinken.

Sinkt jedoch die Energie, wird es für hochenergetische Teilchen schwieriger, neue Materie/Antimaterie-Paare zu erzeugen (b), was zu weniger Reaktionen führt, die Materie und Antimaterie in Strahlung umwandeln. Doch mit abnehmender Dichte wird es für Materie-Antimaterie-Paare immer schwieriger, einander zu finden, wodurch die Zahl dieser Treffen nicht auf Null sinkt. Es wird immer Überreste von Materie und Antimaterie geben.

Und hier wird es seltsam. Nach allen Berechnungen, basierend auf den bekannten Gesetzen der Physik und unseren Experimenten, müssten auf jedes Materie- oder Antimaterieteilchen 10 20 Strahlungsteilchen kommen. Aber in unserem Universum gibt es nur eine Milliarde davon, 10 9 Stück pro Materieteilchen. Und es gibt im Allgemeinen sehr wenig Antimaterie.

Woher kam also die zusätzliche Materie? Warum erschien zusätzliche Materie, aber keine Antimaterie? Und wann? Und wie?

Ehrlich gesagt ist dies eines der größten ungelösten Rätsel der Physik. Aber nur weil wir nicht alles wissen, heißt das nicht, dass wir überhaupt keine Ahnung haben. Beispielsweise ist seit den 1960er Jahren bekannt, dass die folgenden drei Bedingungen erfüllt sind:

Mangel an Gleichgewicht
Nichterhaltung der Baryonenzahl
Verletzungen der C- und CP-Invarianz

Es ist möglich, mehr Materie als Antimaterie zu erzeugen (oder umgekehrt). Darüber hinaus ist Asymmetrie in diesem Fall einfach unvermeidlich. Und glücklicherweise sind zwei dieser Kriterien leicht zu erfüllen.

„Ungleichgewicht“ entsteht, wenn bestimmte Ereignisse in einem Teil des Systems keinen Einfluss auf einen anderen Teil haben, weil die Informationen keine Zeit haben, sie zu erreichen. Das expandierende Universum ist ein hervorragendes Beispiel für ein System, in dem per Definition kein Gleichgewicht herrscht, und die obige Beschreibung der Entstehung und Vernichtung von Materie und Antimaterie während der Expansion und Abkühlung des Universums ist ein hervorragendes Beispiel für einen Nichtgleichgewichtsprozess .

Es gibt auch viele Beispiele für den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie und das Aufbrechen verschiedener Symmetrien. Eine davon ist die Ladungskonjugationssymmetrie oder C-Symmetrie. Wenn Sie alle Teilchen durch Antiteilchen ersetzen und die C-Symmetrie erhalten bleibt, verhält sich das System genau gleich. Eine andere ist Paritätssymmetrie, P-Symmetrie. Wenn es weiterhin besteht, sollten sich das reale System und sein Spiegelbild gleich verhalten.

Ein instabiles Teilchen wie ein sich drehendes Myon zerfällt auf eine bestimmte Weise – indem es entsprechend seinem Spin ein Elektron in eine bestimmte Richtung aussendet. Reflektiert man dies in einem Spiegel (P), dann wird das Elektron in die entgegengesetzte Richtung emittiert, was im Leben nicht vorkommt. Ersetzt man das Myon durch ein Anti-Myon (C), strahlt es ein Positron in die ursprüngliche Richtung aus – und auch das passiert nicht. Wenn wir jedoch das rotierende Myon durch eine Spiegelkopie des rotierenden Anti-Myons (C und P, CP) ersetzen, würde man hoffen, dass sein Zerfall genauso zuverlässig abläuft wie der Zerfall eines Myons in der realen Welt (ohne Spiegel). . Aber das passiert nicht. Es gibt weitere Beispiele für die Verletzung von C- und CP-Symmetrien in Systemen von k-Mesonen oder B-Mesonen.

Daher müssen wir nur Wechselwirkungen erhalten, die die Baryonenzahl nicht in ausreichender Menge erhalten, mit anderen Worten, Baryonen erzeugen, wo keine waren (aber es gab etwas anderes). Leider erfordert dies eine Physik, die nicht im Standardmodell enthalten ist.

Aber es gibt viele solcher Mechanismen, die erfunden wurden:

große einheitliche Theorien mit Partikeln im GUT-Maßstab
Theorien mit neuen Skalaren, die Affleck-Dine-Mechanismen enthalten
Erweiterungen des Standardmodells einschließlich schwerer steriler Neutrinos
Theorie des Leptonenüberschusses im jungen Universum (Leptogenese)
neue elektroschwache Physik, die die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie verbessern könnte

Ich werde Ihnen nur ein Beispiel im Detail erzählen.

Stellen Sie sich ein heißes, dichtes, junges Universum vor. Zusätzlich zu den im Standardmodell enthaltenen Strahlungs- und Materie- und Antimaterieteilchen gibt es ein weiteres Teilchen (und Antiteilchen), Q (und Anti-Q). Q ist sehr schwer, viel schwerer als ein Proton, hat eine positive Ladung von +1 (wie ein Proton) und kommt im jungen Universum in Hülle und Fülle vor, zusammen mit seinen Hälften, Anti-Q, die die gleiche Masse und die entgegengesetzte Ladung haben.

Da sie instabil sind, wird ihre Entstehung aufhören, wenn das Universum abkühlt. Die meisten von ihnen werden einander finden und vernichten, und die übrigen werden sich auflösen.

Für jeden Zerfall von Q muss ein entsprechender Zerfall von Anti-Q erfolgen. Wenn Q in ein Proton und ein Neutrino zerfällt, muss Anti-Q in ein Antiproton und ein Antineutrino zerfallen. Wenn Q in ein Antineutron und ein Positron zerfällt, muss Anti-Q in ein Neutron und ein Elektron zerfallen.

Dabei handelt es sich nicht um reale Teilchen, sie werden beispielhaft dargestellt. Aber in verschiedenen Theorien gibt es Teilchen, wie die X- und Y-Bosonen in GUT und Leptoquarks in einigen Erweiterungen des Standardmodells, die nach sehr ähnlichen Regeln funktionieren.

Ohne Verletzung der CP-Symmetrie zerfallen sie auf die gleiche Weise wie ihr Gegenteil.

Auch wenn das alles langweilig ist, wird dieser Prozess keine überschüssige Masse erzeugen. Aber wenn wir eine Verletzung der CP-Symmetrie zulassen, dann könnte der Unterschied zwischen Teilchen und Antiteilchen in der Anzahl der Zerfälle liegen. Wie viel Prozent des Q zerfielen in Protonen und Neutrinos, verglichen mit dem Prozentsatz des Anti-Q, das in Antiprotonen und Antineutrinos zerfiel. Am Ende könnten wir so etwas wie das folgende Bild erhalten, das dem ähnelt, was wir in Systemen mit Kaonen und B-Mesonen sehen. Beachten Sie den Unterschied zwischen dem Q- und dem Anti-Q-Zerfall.

Nehmen wir an, dass unser Universum zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie sowie Strahlung besteht, die wir ignorieren. Nehmen wir außerdem an, dass es eine Menge von Q und Anti-Q in gleicher Anzahl gibt, die gemäß den oben beschriebenen CP-Symmetrieverletzungen zerfallen.

Was ist übrig?

Ein Meer aus Protonen, Neutrinos, Antineutrinos, Positronen, Antiprotonen, Antineutrinos, Neutronen und Elektronen. Das ist wahr. Aber es wird mehr Protonen und Neutrinos als Antiprotonen und Antineutrinos geben, und es wird weniger Antineutronen und Positronen als Neutronen und Elektronen geben. Wenn wir die Leptonen (Neutrinos, Elektronen und ihre Antiteilchen) ignorieren, bleibt uns ein Meer zerfallender Q- und Anti-Q-Teilchen.

Und nachdem alle Paare aus Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, wird es im Vergleich zur Antimaterie einen Überschuss an Materie geben.

Es ist offensichtlich, dass eine gewisse Version dieser Entwicklung stattgefunden hat und dazu geführt hat, dass wir unterschiedliche Mengen an Materie und Antimaterie haben und dass die Dichte der Materie (aber nicht der Antimaterie) überall, wo wir hinschauen, gleich ist. Auch wenn es eines der größten ungelösten Probleme der Physik ist, wissen wir viel darüber und es ist es wert, noch einmal erzählt zu werden.

Woher kam die Dunkle Materie? Physiker haben herausgefunden, wie sichtbare Materie im Universum entstand

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