De ce universul nostru se învârte cu mai multă materie decât antimateria lui omologă bizară - și de ce existăm deloc - este unul dintre cele mai periculoase puzzle-uri ale fizicii moderne.
Cumva, când universul era incredibil de tânăr, aproape toată antimateria a dispărut, lăsând doar lucrurile normale. Teoreticienii au urmărit mult timp explicația mereu evazivă - și mai important, o modalitate de a testa această explicație cu experimente.
Acum, un trio de teoreticieni a propus ca un trio de particule numite bosoane Higgs să poată fi responsabil pentru misterioasa dispariție a antimateriei din univers. Și cred că știu să găsească vinovații suspecți.
Cazul antimateriei care lipsește
În aproape fiecare interacțiune dintre particulele subatomice, antimateria (care este identică cu materia normală, dar cu sarcină opusă) și materia normală sunt produse în egală măsură. Pare a fi o simetrie fundamentală a universului. Și totuși, când ieșim și privim același univers, nu vedem aproape deloc antimaterie. În măsura în care fizicienii pot spune, pentru fiecare particulă de antimaterie încă agățată, există aproximativ un miliard de particule de materie normală, pe tot cosmosul.
Acest mister trece prin numeroase nume, cum ar fi problema asimetriei materiei și problema asimetriei baryon; indiferent de nume, fizicienii s-au împiedicat. În prezent, nimeni nu a reușit să ofere o explicație coerentă și consecventă a dominanței materiei asupra antimateriei și, din moment ce este de datoria fizicienilor să explice cum funcționează natura, începe să se enerveze.
Cu toate acestea, natura a lăsat câteva indicii care se află în jurul nostru pentru a trece peste cap. De exemplu, nu există nicio dovadă pentru o mulțime de antimaterie în așa-numitul fundal cosmic cu microunde - căldura rămasă de la Big Bang, nașterea universului. Asta sugerează că caperul s-a produs în universul foarte timpuriu. Iar universul timpuriu a fost un loc destul de nebun, cu tot felul de fizici complicate, prost înțelese. Deci, dacă materia și antimateria se vor împărți, acesta este un moment bun pentru a face acest lucru.
Vina pe Higgs
De fapt, cel mai bun moment pentru ca antimateria să dispară este în perioada scurtă, dar tumultuoasă, în universul nostru, când forțele naturii se despărțeau odată cu răcirea cosmosului.
La energii mari (precum cele din interiorul unui colizor de particule), forța electromagnetică și forța nucleară slabă își combină puterile pentru a forma o nouă forță: electroweak. Odată ce lucrurile se răcesc și revin la energiile cotidiene normale, totuși, electroweak-ul se împarte în cele două forțe familiare.
La energii și mai mari, la fel ca cele găsite în primele momente ale Big Bang-ului, credem că forța nucleară puternică se contopește cu electroweak, iar la energii încă mai mari, gravitația se alătură partidului într-o singură forță unificată. Însă nu ne-am gândit destul de bine la modul în care gravitația intră în joc.
Bosonul Higgs, propus să existe în anii '60, dar nu a fost descoperit până în 2012 în interiorul marelui colizor de Hadron, lucrează la împărțirea forței electromagnetice de la forța nucleară slabă. Fizicienii sunt destul de siguri că scindarea materie-antimaterie s-a întâmplat înainte ca toate cele patru forțe ale naturii să-și piardă locul ca entități proprii; asta pentru că avem o înțelegere destul de clară a fizicii universului post-împărțit, iar adăugarea de prea multă antimaterie în epocile ulterioare încalcă observațiile fundalului microundelor cosmice).
Ca atare, probabil că bosonul Higgs joacă un rol.
Dar Higgs de la sine nu îl poate tăia; nu există niciun mecanism cunoscut care să utilizeze doar Higgs pentru a determina un dezechilibru între materie și antimaterie.
Din fericire, povestea lui Higgs poate să nu se termine. Fizicienii au găsit un singur boson Higgs în experimentele cu colizori, cu o masă de aproximativ 125 miliarde de electroni volți, sau GeV - pentru referință, un proton cântărește aproximativ 1 GeV.
Se pare că Higgs nu poate fi singur.
Este complet posibil să existe mai mulți bosoni Higgs care plutesc în jurul valorii de acest lucru, care sunt mai masivi decât ceea ce putem detecta în prezent în experimentele noastre. În zilele noastre, cei mai grei Higgs, dacă ar exista, nu ar face mare lucru, fără să participe cu adevărat la orice fizică la care putem avea acces cu colizorii noștri - pur și simplu nu avem suficientă energie pentru a le „activa”. Dar în primele zile ale universului, când energiile erau mult, mult mai mari, celelalte Higgs ar fi putut fi activate, iar acele Higgs ar fi putut cauza un dezechilibru în anumite interacțiuni fundamentale ale particulelor, ceea ce duce la asimetria modernă dintre materie și antimaterie.
Rezolvarea misterului
Într-o lucrare recentă publicată online în jurnalul de presă arXiv, trei fizicieni au propus o soluție potențială interesantă: Poate că trei bosoni Higgs (supranumit „Troica Higgs”) au jucat un joc de cartof fierbinte în universul timpuriu, generând o inundație de materie normală. . Când materia atinge antimateria - Poof - cei doi anihilează și dispar.
Așadar, cea mai mare parte a fluxului de materie ar anihila antimateria, înotându-l aproape în totalitate din existență într-un potop de radiații. În acest scenariu, ar rămâne suficientă materie normală pentru a duce la universul actual pe care îl cunoaștem și îl iubim.
Pentru a face această lucrare, teoreticienii propun ca trio-ul să includă cea cunoscută particulă Higgs și două newbies, fiecare din acest duo având o masă de aproximativ 1.000 GeV. Acest număr este pur arbitrar, dar a fost ales special pentru a face acest ipotetic Higgs potențial descoperibil cu următoarea generație de colizori de particule. Nu are niciun rost să prevadă existența unei particule care nu poate fi niciodată detectată.
Fizicienii au apoi o provocare. Orice mecanism care provoacă asimetria trebuie să dea materiei o margine peste antimaterie cu un factor de un miliard la unu. Și, are o fereastră de timp foarte scurtă în universul timpuriu pentru a-și face lucrurile; odată ce forțele s-au despărțit, jocul s-a terminat și fizica așa cum știm că este blocată pe loc. Și acest mecanism, inclusiv cele două noi Higgs, trebuie să fie testabile.
Răspunsul scurt: Au putut să o facă. Este un proces foarte complicat, dar povestea generală (și teoretică) merge astfel: Cele două noi Higgs se descompun în dușuri de particule cu viteze ușor diferite și cu preferințe ușor diferite pentru materie față de antimaterie. Aceste diferențe se acumulează în timp, iar atunci când forța electroweak se divizează, există o diferență între populațiile de particule antimateriale „încorporate” în univers, încât materia normală ajunge să domine peste antimaterie.
Sigur, acest lucru rezolvă problema asimetriei baryon, dar duce imediat la întrebarea ce face natura cu atâtea bosonii Higgs. Dar vom face lucrurile cu un pas la rând.
