Kāpēc mūsu Visums virpuļo ar vairāk matēriju nekā tā savādais līdzīgais antimateriāls - un kāpēc mēs vispār eksistējam - ir viena no mūsdienu fizikas satraucošākajām mīklām.
Kaut kā, kad Visums bija neticami jauns, gandrīz viss antimateriāls pazuda, atstājot tikai parasto. Teorētiķi ilgi ir aizkavējuši arvien grūtāko izskaidrojumu - un vēl svarīgāk - veidu, kā pārbaudīt šo skaidrojumu ar eksperimentiem.
Tagad teorētiķu trio ir ierosinājis, ka daļiņu trio, ko sauc par Higsa bozoniem, varētu būt atbildīgs par noslēpumaini izzudušo antimatērijas aktu Visumā. Un viņi domā, ka zina, kā atrast iespējamos vainīgos.
Trūkstošās antimatērijas gadījums
Gandrīz katrā subatomisko daļiņu mijiedarbībā vienādos daudzumos veidojas antimateriāli (kas ir identiski normālajai vielai, bet ar pretēju lādiņu) un normālā viela. Šķiet, ka tā ir Visuma fundamentālā simetrija. Un tomēr, izejot ārā un aplūkojot to pašu Visumu, mēs gandrīz neredzam nekādu antimateriālu. Cik fiziķi var pateikt, katrai antimateriāla daļiņai, kas joprojām karājas, visā kosmosā ir apmēram miljards normālas vielas daļiņu.
Šim noslēpumam ir daudz vārdu, piemēram, matērijas asimetrijas problēma un baronu asimetrijas problēma; neatkarīgi no vārda, fiziķi ir pakluvuši. Sākotnēji neviens nav spējis sniegt saskaņotu, konsekventu izskaidrojumu matērijas dominēšanai pār antimatēriju, un, tā kā fiziķu pienākums ir izskaidrot, kā darbojas daba, tas sāk kļūt kairinošs.
Tomēr daba atstāja dažus pavedienus, kas atradās mums apkārt, lai tos pārdomātu. Piemēram, tā sauktajā kosmiskajā mikroviļņu fona apstākļos nav pierādījumu par daudz antimateriālu - siltumu, kas palicis no Lielā sprādziena, Visuma dzimšanas. Tas liek domāt, ka kaperis ir parādījies ļoti agrīnā Visumā. Un agrīnais Visums bija diezgan traka vieta, kur norisinājās visādas sarežģītas, slikti saprotamas fizikas. Tātad, ja matērija un antimateriāls sadalīsies, ir pienācis laiks to darīt.
Vaino Higru
Patiesībā antimateriāla izzušanas laiks ir īss, bet drūms mūsu Visuma laikmets, kad dabas spēki sadalījās, kosmosam atdziestot.
Pie lielām enerģijām (piemēram, tām, kas atrodas daļiņu sadursmes iekšpusē) elektromagnētiskais spēks un vājš kodolspēks apvieno savas spējas, veidojot jaunu spēku: elektrisko signālu. Tiklīdz lietas atdziest un atgriežas normālā ikdienas enerģijā, elektriskais slēdzis sadalās pazīstamajos divos spēkos.
Pie vēl augstākām enerģijām, piemēram, tādām, kādas tika konstatētas Lielā sprādziena pirmajos brīžos, mēs domājam, ka spēcīgais kodolenerģijas spēks saplūst ar elektrisko zibspuldzi, un pie vēl augstākām enerģijām gravitācija pievienojas partijai vienā vienotā spēkā. Bet mēs vēl neesam izdomājuši, kā gravitācija nokļūst spēlē.
Higsa bozons, kas ierosināts pastāvēt 20. gadsimta 60. gados, bet līdz 2012. gadam netika atklāts Lielā hadronu sadursmes iekšpusē, veic elektromagnētiskā spēka sadalīšanu no vājā atomu spēka. Fiziķi ir diezgan pārliecināti, ka matērijas un antimateriāla sadalījums notika pirms visi četri dabas spēki nonāca vietā kā viņu pašu būtnes; tas ir tāpēc, ka mums ir diezgan skaidra izpratne par Visuma fiziku pēc sadalīšanas, un pārāk daudz antimateriāla pievienošana vēlākajos laikos pārkāpj kosmiskās mikroviļņu fona novērojumus).
Kā tāds, iespējams, loma ir Higsa bozonam.
Bet pats Higgs to nevar samazināt; nav zināms mehānisms, kas izmanto tikai Higru, lai radītu disbalansu starp matēriju un antimateriālu.
Par laimi, Higsa stāsts var nebūt beidzies. Fiziķi sadursmju eksperimentos ir atraduši vienu Higsa bozonu, kura masa ir aptuveni 125 miljardi elektronu voltu jeb GeV - atsaucei protons sver ap 1 GeV.
Izrādās, ka Higss var nebūt viens.
Pilnīgi iespējams, ka apkārt peld vairāk Higsa bozoni, kas ir masīvāki par to, ko šobrīd varam noteikt mūsu eksperimentos. Mūsdienās šie heftier Higgs, ja tādi pastāv, nedarītu neko daudz, patiesībā nepiedaloties nevienā fizikā, kurai mēs varētu piekļūt ar saviem sadursmju dalībniekiem - Mums vienkārši nav pietiekami daudz enerģijas, lai viņus “aktivizētu”. Bet Visuma pirmajās dienās, kad enerģijas bija daudz, daudz augstākas, citi Higgi varēja būt aktivizēti, un šie Higgi varēja izraisīt nelīdzsvarotību noteiktā pamata daļiņu mijiedarbībā, kas noveda pie mūsdienu asimetrijas starp matēriju un antimatēriju.
Noslēpuma atrisināšana
Nesenā publikācijā, kas tiešsaistē tika publicēta pirmsdrukas žurnālā arXiv, trīs fiziķi ierosināja interesantu potenciālo risinājumu: Iespējams, trīs Higsa bozoni (saukti par “Higsa trijotni”) agrīnajā Visumā spēlēja karstu kartupeli, izraisot normālas vielas plūdus. . Kad matērija pieskaras antimateriālam - poof, divi iznīcina un pazūd.
Un tātad lielākā daļa no šīs vielas plūsmas iznīcinātu antimatēriju, to gandrīz pilnībā izdzenot no radiācijas plūdiem. Šajā scenārijā būtu pietiekami daudz normālas lietas, lai aizvestu līdz mūsdienu visumam, kuru mēs zinām un mīlam.
Lai veiktu šo darbu, teorētiķi ierosina trijotnē iekļaut vienu zināmo Higsa daļiņu un divus jauniesācējus, katra šī dueta masa ir aptuveni 1000 GeV. Šis skaitlis ir tīri patvaļīgs, taču tika īpaši izvēlēts, lai padarītu šo hipotētisko Higgu potenciāli atklājamu ar nākamās paaudzes daļiņu sadursmēm. Nevar prognozēt tādu daļiņu esamību, kuras nekad nevar atklāt.
Pēc tam fiziķiem ir izaicinājums. Neatkarīgi no tā, kāds mehānisms izraisa asimetriju, matērijai ir jāpiešķir priekšrocība virs antimateriāla ar koeficientu miljardu pret vienu. Un agrīnajā Visumā tam ir ļoti īss laika posms, lai izdarītu savu lietu; Kad spēki sadalās, spēle ir beigusies un fizika, kā mēs zinām, ir nofiksēta savā vietā. Un šim mehānismam, ieskaitot divus jaunos Higgus, jābūt pārbaudāmiem.
Īsā atbilde: Viņi to spēja. Saprotams, ka tas ir ļoti sarežģīts process, bet visaptverošais (un teorētiskais) stāsts notiek šādi: Divi jaunie Higsi sadalās daļiņu dušās ar nedaudz atšķirīgu ātrumu un ar nedaudz atšķirīgām matērijas preferencēm salīdzinājumā ar antimatēriju. Šīs atšķirības laika gaitā palielinās, un, kad sadala elektriskās strāvas spēks, matēriju un antimateriālu daļiņu populācijā, kas "iebūvēta" Visumā, ir pietiekami daudz atšķirību, ka normāla matērija nonāk dominējošā stāvoklī pret antimatēriju.
Protams, tas atrisina baronu asimetrijas problēmu, bet tikai uzreiz liek domāt par jautājumu, ko daba dara ar tik daudziem Higsa boziem. Bet mēs veiksim lietas vienu soli vienlaicīgi.
