Neden hepimiz maddeden yaratıldık? Karşımadde yerine mi?
Önce birbiriyle çelişen iki gerçeğe bakalım:
Evreni gözlemlediğimizde, gezegenleri ve yıldızları, galaksileri ve galaksi kümelerini, yıldızlararası gaz ve tozu vb. Görürüz. Her yerde aynı özellikleri bulacağız. Atomların soğurma ve yayılma çizgilerini, madde ile diğer maddeler arasındaki etkileşimi, yıldızların doğumunu ve ölümünü, çarpışmaları vb. Göreceğiz.
Galaksideki yıldızlar, galaksiler, gaz ve tozun tamamı maddeden yapılmıştır. (© Hubblesite)
Sonra, ikinci gerçeğe bakıyoruz:
Gözlemlediğimiz tüm parçacıklar arasındaki etkileşim, hangi enerji düzeyinde olursa olsun, bir parçacık yaratıldığında ya da yok edildiğinde, her zaman bir karşı parçacıkla yaratılacak ya da yok edilecektir. Madde ve antimadde arasında fiziksel simetri kesinlikle gözlemlenir. Örneğin, bir kuark (veya lepton) yaratıldığında (veya yok edildiğinde), bir antikuark (veya anti-lepton) da yaratılır (veya yok edilir). Yani Big Bang'den sonra partikül ve antiparçacıkların eşit miktarda üretilmesi gerekiyor.
(A) Çift üretimi: Bir foton karşılaştığında, bir parçacık ve bir antiparçacık üretilecek; (b) Yok olma: Bir parçacık ve bir karşı parçacık buluştuğunda, bir foton biçiminde enerji açığa çıkacaktır. (© Dmitri Pogosyan)
Madde ve antimadde buluştuğunda, örneğin, protonlar ve antiprotonlar bir araya geldiğinde, ikisinin yüksek enerjili fotonları yok edip salacağını biliyoruz. Bununla birlikte, madde ile antimadde arasında büyük ölçekte bir yok oluş gözlemlemedik. Gezegenlerin, yıldızların veya galaksilerin antimaddeden oluştuğuna dair herhangi bir kanıt görmedik. Tüm kanıtlar, evrendeki her şeyin antimadde değil maddeden yapıldığını gösteriyor.
Yani, bir yandan deneysel sonuçlardan, maddeyi yaptığımızda veya yok ettiğimizde, kesinlikle eşit miktarda antimadde yapılacağını veya yok edileceğini görebiliriz. Öte yandan, senin, benim ve evrendeki tüm nesnelerin maddeden yapıldığını biliyoruz.
Madde ve antimadde arasındaki fizik yasaları tamamen simetrikse, bugün gördüğümüz evren neden maddeden yapılmıştır? Bu sorunun adı Baryon sayı üretimi (Baryonesis) , Temel fizikteki en büyük çözülmemiş gizemlerden biridir. Elbette, durum böyle olmasaydı, bırakın bu tür soruları sormak şöyle dursun, biz de var olmazdık.
[Not: Baryonlar, hayattaki her şeyi oluşturan protonlar ve nötronlar gibi üç kuark veya antikuarktan oluşan kompozit parçacıkları ifade eder. Baryon sayısı, parçacık fiziğinde tanımlanan ve B harfi ile temsil edilen bir kuantum numarasıdır. Baryonların baryon sayısı +1, antibaryonların baryon sayısı -1 ve lepton ve mezon gibi diğer parçacıkların baryon sayısı 0'dır.]
Bu problemle karşı karşıya olduğumuzda, şimdi iki seçeneğimiz var: Ya evren doğduğunda antimaddeden daha fazla madde vardı; ya da sıcak ve yoğun evrenin ilk günlerinde madde ile antimadde arasındaki farka yol açan bir şey oldu (ne başlangıçta) Arasındaki asimetri. İlkinin olasılığını dışlayamasak da, Büyük Patlama'yı tekrarlayamazsak bunu doğrulayamayız. Ama ikincisi doğruysa, öğrenmenin bir yolunu bulabiliriz.
1968'de bilim adamları önemli bir adım attılar.Sovyet fizikçi Andrei Sakharov, evrenin üç koşulu yerine getirmesi durumunda madde / antimadde asimetrisinin kaçınılmaz olduğunu fark etti. Üç koşul şunlardır:
Termal dengeden sapma.
C simetrisini (yük konjugat simetrisini) ve CP simetrisini (eşlikli yük eşlenik simetrisini) bozan etkileşimler vardır.
Baryon sayılarının korunmasını bozan etkileşimler var.
Evren sürekli genişliyor ve soğuyor. (© E.Siegel)
Birincisine ulaşmak kolaydır. Evren geniş, genişliyor ve soğuyorsa ve genel görelilik ve kuantum alan teorisi tarafından yönetiliyorsa, o zaman termal dengeden bir sapma durumu yaratılmıştır! Unutmayın, denge, bir sistemdeki tüm parçacıkların birbirleriyle iletişim kurma veya bilgi alışverişi yapma fırsatı olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, genişleyen ve soğuyan bir evrende, evrenin bir tarafındaki ve diğer tarafındaki parçacıklar arasında nedensel bir temas yoktur; aslında, erken evrende, nedensel temasın olmadığı birçok bölge vardır. Işığın bile bir bölgeden diğerine seyahat etmek için yeterli zamanı yoktur.
İkinci koşula tekrar bakalım. C simetrisi, yükler değiştirilirse ne olacağıyla ilgilenir. Parçacık ve karşıt parçacığının tam olarak aynı kütleye sahip olduğunu biliyoruz, ancak yük tam tersidir. Bir yük birleştirme işlemi yoluyla, fiziksel bir işlemde tüm parçacıkların karşılık gelen antiparçacıklarla değiştirilmesine eşdeğerdir. Anti-maddeden yapılmış bir anti-dünya hayal edebiliriz. Yük eşlenik simetrisinin çıkarımına göre, dünyamızın fiziksel yasaları ve dünya karşıtı tam olarak aynı olmalıdır. Ancak C simetrisi ihlal edilirse, parçacıklar ve antiparçacıklar arasındaki davranış tersine çevrilir! Gözlemler, zayıf etkileşimlerde (radyoaktif bozunma dahil), C simetrisinin yok edilebileceğini göstermektedir.
Zayıf etkileşimler, yük konjugasyonunun değişmezliğini yok eder: tüm nötrinolar solaktır ve sağ elini trinosu yoktur. Tüm antinötrinolar sağaktır ve solak antinötrinolar yoktur. (© E. Siegel)
P simetrisi, parite değişmezliği olarak da bilinen ayna simetrisini ifade eder. Aynaya baktığınızda, aynadaki siz gerçekte olduğunuz şeyin tam tersi olursunuz. Sağ elinizi kaldırırsanız aynada sol elinizi kaldırırsınız. Şimdi, içinde her şeyin tam tersi olduğu bir ayna evren olduğunu hayal edin. Bu evrende, hepimiz soldan gidiyoruz, güneş batıdan doğacak, gün batımı doğudan gelecek vb. Ama temelde başka hiçbir şey değişmeyecek, aslında sol ve sağ kavramlarını değiştirdiğimiz sürece, içinde yaşadığımız evrenden hiçbir farkı olmayacak. Çoğu durumda, sol ve sağ arasında bir ayrım yoktur ve eşlik korunur. Bu durum, Yang Zhenning ve Li Zhengdao'nun zayıf etkileşimlerde paritenin korunmadığını öne sürmesine kadar 1956 yılına kadar sürdü.
Saat yönünün tersine bir mezon (sol üstte) bozunur ve elektronları kuzeye fırlatır. P dönüşümü altında (sağ üst), mezon saat yönünde bozunur ve elektronları kuzeye fırlatır; C dönüşümü altında (sol alt), saat yönünün tersine mezonlar bozunur ve elektronları kuzeye atar; CP eklem değişimi altında (sağ alt), Parçacık, saat yönünde bir anti-mezon haline dönüşür ve elektronları kuzeye fırlatır. (© E. Siegel)
Hem parite hem de yük eşleniği yok edildi, bu yüzden böyle bir olasılık var: Sadece solu ve sağı yansıtmakla kalmayıp, aynı zamanda parçacıkları antiparçacıklara da dönüştürebilen sihirli bir ayna inşa edebilirsek, bu doğal olarak mümkün müdür? Parite (P) ve yük konjugatının (C) birleşik çalışması altında değişmeden kalır. İyi zamanlar uzun sürmedi. 1964'te bilim adamları ayrıca CP simetrisinin bozulduğuna dair kanıt buldular.
Doğada, ağır kuarklar bozunduğunda CP korunumunu ihlal eden parçacıklar gözlemledik. Ancak Sakharov'un önerdiği üçüncü koşulu hiç gözlemlemedik: baryonların sayısını yok eden bir etkileşim var. Daha kesin bir ifadeyle, standart model yalnızca B-L korunumunu veya baryon sayısı (B) eksi lepton sayısını (L) şart koşmasına rağmen. Parçacık fiziğinin Standart Modeline göre, baryon sayılarının korunumunu bozan etkileşimlere sahip olamayacağını biliyoruz.
Şimdi size parçacık fiziğinin Standart Modelini yöneten alan denklemlerini göstermek istiyorum:
Grachow-Weinberg-Salam'daki Lagrange miktarı, zayıf akım modelini birleştirdi. (© Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü Heidelberg)
Ayrıntılara çok fazla dikkat etmeyin, önemli olan bu denklemin bize baryon sayısı korunumunun bozulabileceğini söylemesidir. Aslında, baryonların sayısının (protonlar gibi) ve leptonların (elektronlar gibi) sayısının aynı anda yok edilmesine açıkça izin verir, bu da evrenin aynı sayıda baryon ve leptona sahip olması gerektiği anlamına gelir! (Bu, neredeyse neden aynı sayıda proton ve elektron olduğunu açıklar, bu nedenle evren, proton ve elektron yüklü olsa bile, elektriksel olarak nötrdür.)
Elbette sorun şu ki, bu üç koşulun miktarlarını bilmemiz gerekiyor. Yok etmek için yeterli baryon numaramız var mı?
Farklı standart modellerin genişlemesinde elektronik dipol momentleri. (© Gabrielse grubu ve D. DeMille)
Bildiğimiz kadarıyla cevap yetersiz görünüyor. Belki de yüksek enerji durumunda, standart modelde CP simetrisini bozan daha fazla etkileşim vardır, ancak henüz bulamadık. Ancak fizikçiler, cevabın Standart Modelin ötesindeki yeni teorilerde yattığını düşünme eğilimindedir. Yeni zayıf elektrik fiziği, yüksek enerjili lepton fiziği, süpersimetri veya büyük birleşik teori gibi standart modelin birçok genişletilmiş teorisinde, tümü çok sayıda baryon sayısının yok olma olasılığını öngörür.
Aşağıda bahsedilen en erken Planck dönemi ve sonraki Büyük Birleşim dönemi ve elektriksel zayıflık dönemi dahil olmak üzere evrenin farklı dönemleri. (© ESA)
Bu teoriler, baryon sayıları hakkındaki soruları cevaplamamıza yardımcı olabilir:
1. Leptogenez : Bu hipotez, erken evrenin sıcak ortamında nötrino kuzeninin (daha ağır) nötrinolarla dolu olduğunu varsayar. Leptonlardan ziyade antileptonlara dönüşme eğilimindedirler (leptonlar elektronları, nötrinoları vb. İçerir). Yüksek sıcaklıkta kuantum tünelleme olayı, sphaleron işlemi yoluyla, fazla antilepton, bugün gördüğümüz fazla baryona dönüştürülecek. Birçok deney, bize ağır nötrinoların var olup olmadığını söylemeyi umarak bu nadir bozunmaları arıyor.
Baryonlar, Sphaleron süreci ile üretilir. (© arXiv: 1206.2942)
2. Elektromanyetik baryogenez (Electroweak baryogenesis, EWBG) : Bu, evrendeki baryon asimetrisini açıklayan en çekici ve ümit verici teorilerden biridir. Adından da anlaşılacağı gibi, EWBG, erken evrende elektrozayıf faz geçişi sırasında asimetrik baryon yoğunluğu üreten herhangi bir mekanizmayı ifade eder, ancak yalnızca EWSB birinci dereceden bir faz geçişi olduğunda, suyun buharlaşmasına benzer. Uzayda, enerji kabarcıklarıyla dolu bir alan vardır ve bu alan Higgs alanıdır. Enerji baloncuğunun dışındaki boşluktaki antilepton, sphaleron süreci ile baryona dönüşecek. Baloncuğun içindeki boşluk olmayacak. Higgs'in kalitesinden, EWSB'nin sıcaklığının birinci dereceden bir faz değişikliği üretemeyecek kadar düşük olduğunu biliyoruz. Bununla birlikte, Higgs benzeri parçacıkları yüksek enerjide bulabilirsek, bu teori uygulanabilir.
3. Affleck-Dine mekanizması : Süpersimetri teorisi, Standart Modeldeki her temel parçacığın, ona uyması için süpersimetrik ortak olarak adlandırılan bir parçacığa sahip olduğunu varsayar. Bu teori doğruysa, evrenin şişmesi sırasında, bilinen parçacıkların süpersimetrik ortakları CP yıkımına ve bozulmasına uğrayacak ve böylece fazla baryon üretecektir. Ancak şu ana kadar, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı herhangi bir süpersimetrik parçacık bulamadı.
4. Planck / GUT ölçekli baryogenez (Planck / GUT ölçekli baryogenez) : Baryon sayısı üretimi, zamanın başlangıcına yakın, ulaşılamayan yüksek enerji altında, yani büyük tekdüze ölçek veya Planck ölçeği altında gerçekleşebilir. Bu ölçekte, standart model artık uygulanamaz. Proton bozunmasının ölçülmesi bir gün fizik yasalarını büyük bir tekdüze ölçekte anlamamıza yardımcı olabilir, ancak baryon sayısı üretimi Planck ölçeğinde gerçekleşirse, arkasındaki mekanizmayı deneysel olarak asla keşfedemeyebilir veya doğrulayamayabiliriz.
Sakharov'un önerdiği üç koşul kesinlikle evrenimizde var. Yanıtlamamız gereken tek soru, "bugün gözlemlenen madde-antimadde asimetrisi miktarını nasıl elde edeceğimiz?" Henüz tam bir yanıt alamamış olsak da, Yakın gelecekte bunun "nereden" çözülebileceğiyle ilgili birçok sorudan biri olduğuna inanıyorum.
Referanslar:
[1] G. Steigman (2007). "Kesin Kozmoloji Çağında İlkel Nükleosentez" Nükleer ve Parçacık Biliminin Yıllık İncelemesi 57: 463-491.
[2] https://arxiv.org/abs/1206.2942
[3] Affleck, I .; Dine, M. (1985). "Baryogenez için yeni bir mekanizma", Nükleer Fizik B, Parçacık Fiziği B249 (2): 361380.
[4] https://arxiv.org/abs/hep-ph/9606260
