Zašto se naš svemir vrti više materije od njegove bizarne antimaterije - i zašto uopće postojimo - jedna je od najupečatljivijih zagonetki moderne fizike.
Nekako, kada je svemir bio nevjerojatno mlad, gotovo sva antimaterija je nestala, ostavljajući samo normalne stvari. Teoretičari su dugo zastajali na uvijek neuhvatljivom objašnjenju - i što je još važnije, načinu provjere tog objašnjenja eksperimentima.
Sada je trio teoretičara predložio da trio čestica zvanih Higgsovi bozoni može biti odgovoran za tajanstveni nestajući čin antimaterije u svemiru. I misle da znaju kako pronaći osumnjičene krivce.
Slučaj antimaterije koja nedostaje
U gotovo svakoj pojedinačnoj interakciji između subatomskih čestica antimaterija (koja je identična normalnoj tvari, ali s suprotnim nabojem) i normalna tvar stvaraju se u jednakoj mjeri. Čini se da je to temeljna simetrija svemira. A ipak, kad izađemo i pogledamo taj isti svemir, gotovo da i nemamo neku antimateriju. Koliko fizičari mogu reći, za svaku česticu antimaterije koja još uvijek visi oko nas postoji oko milijardu čestica normalne materije, sve u kozmosu.
Ovu misteriju vode mnoga imena, poput problema asimetrije materije i problema asimetrije bariona; bez obzira na ime, fizičari su ga snašli. Do sada, nitko nije uspio pružiti koherentno i dosljedno objašnjenje prevlasti materije nad antimaterijom, a budući da je fizičarima posao objasniti kako priroda djeluje, to postaje iritantno.
Međutim, priroda je ostavila tragove da se oko nas zagonetaju. Na primjer, ne postoje dokazi za puno antimaterije u takozvanoj pozadini kozmičke mikrovalne - toplina preostala od Velikog praska, rođenja svemira. To sugerira da se kapar dogodio u vrlo ranom svemiru. I rani svemir bio je prilično ludo mjesto, sa svim vrstama komplicirane, slabo razumljive fizike. Dakle, ako će se materija i antimaterija razdvojiti, pravi je trenutak da to učinite.
Krivite Higgs
U stvari, najbolje vrijeme za nestajanje antimaterije je tijekom kratke, ali burne epohe u našem svemiru kada su se sile prirode razdvojile dok se kosmos hladio.
Pri visokoj energiji (poput one unutar sudara čestica), elektromagnetska sila i slaba nuklearna sila kombiniraju svoje snage da tvore novu silu: elektro slabljenje. Nakon što se stvari ohlade i vrate u normalne svakodnevne energije, međutim, elektro-slabost dijeli se na poznate dvije sile.
Pri još većim energijama, poput onih pronađenih u prvim trenucima Velikog praska, mislimo da se jaka nuklearna sila stapa s elektro slabom, a pri još višim energijama, gravitacija spaja stranku u jedinstvenu jedinstvenu silu. Ali još nismo točno shvatili kako gravitacija ulazi u igru još.
Higgsov bozon, za koji je predloženo da postoji 1960-ih, ali otkriven tek 2012. u Velikom hadronskom sudaraču, djeluje na razdvajanju elektromagnetske sile od slabe nuklearne sile. Fizičari su prilično sigurni da se rascjep materije i antimaterije dogodio prije nego što su sve četiri prirodne sile postale na svoje mjesto kao njihovi vlastiti entiteti; to je zato što imamo prilično jasno razumijevanje fizike svemira nakon rascjepa, a dodavanje previše antimaterije u kasnijim epohama krši zapažanja o kozmičkoj mikrovalnoj pozadini).
Kao takav, možda i Higgsov bozon igra ulogu.
Ali Higgs sam po sebi to ne može smanjiti; ne postoji poznati mehanizam koji koristi samo Higgsove da uzrokuje neravnotežu između materije i antimaterije.
Srećom, priča o Higsu možda nije gotova. Fizičari su pronašli jedan Higgsov bozon u pokusima na sudaračima, mase oko 125 milijardi voltona elektrona, ili GeV - za referencu, proton teži oko 1 GeV.
Ispada da, Higgs možda nije sam.
Sasvim je moguće da oko njega lebde više Higsovi bozoni koji su masivniji od onoga što trenutno možemo otkriti u našim eksperimentima. U današnje vrijeme, oni heftijski Higgsi, ako postoje, ne bi napravili puno, ne sudjelujući zapravo ni u jednoj fizici kojoj možemo pristupiti sa svojim sudarama - jednostavno nemamo dovoljno energije da ih "aktiviramo". Ali u ranim danima svemira, kada su energije bile mnogo, mnogo veće, drugi Higgovi su se mogli aktivirati, a ti su Higgovi možda uzrokovali neravnotežu u određenim interakcijama temeljnih čestica, što je dovelo do moderne asimetrije između materije i antimaterije.
Rješavanje misterije
U nedavnom radu objavljenom na mreži u časopisu za pretisak arXiv, tri fizičara predložila su zanimljivo potencijalno rješenje: Možda su tri Higsova bozona (nazvana "Higgsova trojka") igrala igru vrućeg krumpira u ranom svemiru, generišući poplavu normalne materije , Kad materija dodirne antimateriju - Poof - njih dvoje nestaju i nestaju.
I tako bi većina tog toka materije uništila antimateriju, isplivajući gotovo u potpunosti iz poplave zračenja. U ovom bi scenariju ostalo dovoljno normalne materije koja bi vodila u današnji svemir koji znamo i volimo.
Da bi ovo postigli, teoretičari predlažu da trio uključuje jednu poznatu Higgsovu česticu i dva novorođena, s tim da svaki ovaj dvojac ima masu od oko 1000 GeV. Ovaj je broj čisto proizvoljan, ali posebno je odabran da bi se ovaj hipotetički Higgs mogao otkriti pomoću nove generacije sudarača čestica. Nema smisla da predviđa postojanje čestice koja se nikada ne može otkriti.
Fizičari tada imaju izazov. Ma koji mehanizam uzrokovao asimetriju, on mora dati prednost materiji u odnosu na antimateriju s faktorom od milijardu do jedan. I, u ranom svemiru ima vrlo kratak vremenski period da učini svoje; Jednom kada se snage razdvoje, igra je gotova i fizika je, kako znamo, zaključana. I ovaj mehanizam, uključujući i dva nova Higgsa, mora biti testiran.
Kratki odgovor: Uspjeli su to učiniti. Razumljivo je to vrlo kompliciran proces, ali opšta (i teorijska) priča ide ovako: Dva nova Higgsova raspadaju se u čestice čestica s nešto različitim brzinama i s malo drugačijim preferencijama materije prema antimateriji. Te se razlike vremenom pojačavaju, a kada se sila slabe elektroelektrane poveća, postoji dovoljno razlika u populaciji čestica-antimaterijskih materija "ugrađenih" u svemir da normalna tvar prevladava nad antimaterijom.
Naravno, ovo rješava problem asimetrije barijene, ali odmah se dovodi u pitanje što priroda radi s toliko Higgsovih bozona. Ali mi ćemo poduzeti stvari jedan po jedan.
