Czemu materia pokonała antymaterię
Młody wszechświat stworzył materię i antymaterię niemal po równo. Jedna dodatkowa cząstka materii na miliard par ocalała z anihilacji — i stała się wszystkim.
Lukasz Szramuk · · aktualizacja · 3 min czytania
Każdy zwykły przedmiot jest dowodem maleńkiej niedoskonałości. Gorący Wielki Wybuch wypełnił przestrzeń cząstkami i antycząstkami. Gdy cząstka spotyka antycząstkę, ich masa staje się promieniowaniem. Gdyby populacje były dokładnie równe, prawie cała substancja zniknęłaby w fotonach. Zamiast tego materia przewyższała antymaterię mniej więcej o jedną część na miliard. Po anihilacji par nadwyżka została.
Skąd to wiemy
Resztę mierzą dwa niezależne zapisy kosmiczne. Nukleosynteza Wielkiego Wybuchu użyła gęstości barionów do ustalenia pierwotnych ilości wodoru, helu i deuteru. Setki tysięcy lat później bariony zostawiły inny wzór w szczytach akustycznych mikrofalowego tła. Oba wskazują ten sam stosunek barionów do fotonów: dziś około sześciu barionów na dziesięć miliardów fotonów.
Czy równa ilość antymaterii mogłaby po prostu mieszkać w dalekich antygalaktykach? Granice obszarów materii i antymaterii produkowałyby silne promienie gamma, a poszukiwania w promieniowaniu kosmicznym ograniczają antyjądra. Obserwowalny wszechświat nie pokazuje wielkich regionów potrzebnych do odtworzenia symetrii. Nierównowaga istniała wcześnie, zanim galaktyki się rozdzieliły.
Przepis Sacharowa
W 1967 roku Andriej Sacharow wskazał trzy składniki dynamicznego tworzenia liczby barionowej. Po pierwsze reakcje muszą ją zmieniać. Po drugie symetrie C i CP muszą być naruszone, by reakcje odróżniały materię od antymaterii. Po trzecie wszechświat musi odejść od równowagi cieplnej, inaczej reakcje odwrotne zetrą preferencję. To warunki konieczne, nie jeden mechanizm.
Model Standardowy narusza CP i zawiera procesy mogące zmieniać liczbę barionów i leptonów w wysokiej temperaturze. Zmierzona masa Higgsa czyni jednak przejście elektrosłabe zbyt łagodnym, a znane naruszenie CP wydaje się zbyt małe. Reszta materii jest więc wskazówką fizyki, której jeszcze nie ustaliliśmy.
Kandydackie historie
Bariogeneza elektrosłaba dodaje cząstki lub oddziaływania wzmacniające przejście fazowe i naruszenie CP. Leptogeneza najpierw tworzy nierównowagę w neutrinach albo innych leptonach, a procesy elektrosłabe zamieniają część w bariony. Rozpady ciężkich cząstek, pola Afflecka–Dine'a i mechanizmy łączące ciemną oraz zwykłą materię oferują kolejne drogi. Żadna nie została potwierdzona.
Eksperymenty neutrinowe szukają naruszenia CP i sprawdzają, czy neutrina są własnymi antycząstkami. Pomiary momentów dipolowych testują nowe źródła CP z niezwykłą czułością. Zderzacze i rzadkie rozpady ograniczają ciężkie cząstki i zmienioną fizykę Higgsa. Liczba ustalona w pierwszych ułamkach sekundy jest atakowana na stołach laboratoryjnych i pod ziemią.
Czy η jest dostrojona?
Zero jest katastrofą dla złożonej materii, lecz górne okno nie jest lustrzane. Więcej barionów zmienia nukleosyntezę, równość materii z promieniowaniem, chłodzenie gazu i gęstość gwiazd. Życie może tolerować rzędy zmienności, jeśli inne stałe też się ruszą. Tajemnica polega mniej na położeniu η w środku szczeliny, a bardziej na tym, że jest niezerowa i niewyjaśniona.
Tuner przedstawia asymetrię suwakiem η i podkreśla najczystszą porażkę: zbliż się do zera, a niebo błyska anihilacją przed zamianą w kąpiel promieniowania. Nie symuluje bariogenezy ani subtelnych skutków wysokiej gęstości. Strona o metodzie zaznacza dokładnie tę granicę.