Wenn wir das Universum betrachten, all seine Planeten und Sterne, Galaxien und Cluster, Gas, Staub, Plasma, sehen wir überall die gleichen Signaturen. Wir sehen Linien der Atomabsorption und -emission, wir sehen, dass Materie mit anderen Formen von Materie interagiert, wir sehen Sternentstehung und Tod von Sternen, Kollisionen, Röntgenstrahlen und vieles mehr. Es gibt eine offensichtliche Frage, die einer Erklärung bedarf: Warum sehen wir das alles? Wenn die Gesetze der Physik die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie vorschreiben, sollte das Universum, das wir beobachten, nicht existieren.
Aber wir sind hier und niemand weiß warum.
Warum gibt es im Universum keine Antimaterie?
Denken Sie an diese beiden scheinbar widersprüchlichen Tatsachen:
- Jedes Mal, wenn wir einen Quark oder Lepton erstellen, erstellen wir auch einen Antiquark und ein Antilepton.
- Jedes Mal, wenn ein Quark oder Lepton zerstört wird, wird auch ein Antiquark oder Antilepton zerstört.
- erzeugte oder zerstörte Leptonen und Antileptonen müssen über die gesamte Summerpon-Familie im Gleichgewicht sein, und jedes Mal, wenn ein Quark oder Lepton interagiert, kollidiert oder zerfällt, sollte und wird die Gesamtzahl der Quarks und Leptonen am Ende der Reaktion (Quarks minus Antiquarks, Leptonen minus Antileptonen) sein das gleiche wie am Anfang.
Die einzige Möglichkeit, die Menge an Materie im Universum zu ändern, bestand darin, die Menge an Antimaterie um dieselbe Menge zu ändern.
Und doch gibt es eine zweite Tatsache.
Wir sehen jedoch keine Anzeichen einer Zerstörung der Materie durch Antimaterie im größten Maßstab. Wir sehen keine Anzeichen dafür, dass einige der Sterne, Galaxien oder Planeten, die wir beobachten, aus Antimaterie bestehen. Wir sehen nicht die charakteristischen Gammastrahlen, die man erwarten würde, wenn Antimaterie mit Materie kollidieren und vernichtet würde. Stattdessen sehen wir überall nur Materie, wo wir hinschauen.
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Und es scheint unmöglich. Einerseits ist kein Weg bekannt, mehr Materie als Antimaterie herzustellen, indem Teilchen und ihre Wechselwirkungen im Universum betrachtet werden. Andererseits besteht alles, was wir sehen, definitiv aus Materie, nicht aus Antimaterie.
Tatsächlich haben wir die Vernichtung von Materie und Antimaterie unter extremen astrophysikalischen Bedingungen beobachtet, jedoch nur in der Nähe von hyperenergetischen Quellen, die Materie und Antimaterie in gleichen Mengen produzieren - beispielsweise Schwarze Löcher. Wenn Antimaterie mit Materie im Universum kollidiert, erzeugt sie Gammastrahlen mit sehr spezifischen Frequenzen, die wir dann erfassen können. Das interstellare intergalaktische Medium ist voller Material, und das völlige Fehlen dieser Gammastrahlen ist ein starkes Signal dafür, dass es nie mehr Antimaterieteilchen geben wird, da dann die Signatur der Antimateriematerie entdeckt würde.
Wenn Sie ein Antimaterieteilchen in unsere Galaxie werfen, dauert es ungefähr 300 Jahre, bevor es von einem Materieteilchen zerstört wird. Diese Einschränkung besagt, dass die Menge an Antimaterie in der Milchstraße 1 Teilchen pro Billiarde (1015) im Verhältnis zur Gesamtmenge an Materie nicht überschreiten darf.
Im großen Maßstab - im Maßstab von Satellitengalaxien, großen Galaxien von der Größe der Milchstraße und sogar von Galaxienhaufen - sind die Einschränkungen weniger streng, aber immer noch sehr stark. Bei Entfernungen zwischen einigen Millionen Lichtjahren und drei Milliarden Lichtjahren haben wir einen Mangel an Röntgen- und Gammastrahlen beobachtet, die auf die Vernichtung von Materie und Antimaterie hinweisen könnten. Selbst im großen kosmologischen Maßstab werden 99,999% dessen, was in unserem Universum existiert, definitiv durch Materie (wie wir sind) und nicht durch Antimaterie dargestellt.
Wie sind wir in eine solche Situation gekommen, dass das Universum aus einer großen Menge Materie besteht und praktisch keine Antimaterie enthält, wenn die Naturgesetze zwischen Materie und Antimaterie absolut symmetrisch sind? Nun, es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder wurde das Universum mit mehr Materie als Antimaterie geboren, oder etwas geschah in einem frühen Stadium, als das Universum sehr heiß und dicht war und zu einer Asymmetrie von Materie und Antimaterie führte, die ursprünglich nicht existierte.
Die erste Idee kann nicht wissenschaftlich getestet werden, ohne das gesamte Universum neu zu erschaffen, aber die zweite ist sehr überzeugend. Wenn unser Universum irgendwie eine Asymmetrie von Materie und Antimaterie geschaffen hat, wo es ursprünglich nicht war, dann werden die Regeln, die damals funktionierten, heute unverändert bleiben. Wenn wir klug genug sind, können wir experimentelle Tests entwickeln, die den Ursprung der Materie in unserem Universum aufdecken.
In den späten 1960er Jahren identifizierte der Physiker Andrei Sacharow drei Bedingungen, die für die Baryogenese oder die Bildung von mehr Baryonen (Protonen und Neutronen) als Antibaryonen erforderlich sind. Hier sind sie:
- Das Universum muss ein Nichtgleichgewichtssystem sein.
- Es muss eine C- und CP-Verletzung haben.
- Es muss Interaktionen geben, die die Baryonenzahl verletzen.
Das erste ist leicht zu beobachten, da ein expandierendes und kühlendes Universum mit instabilen Partikeln (und Antiteilchen) per Definition nicht im Gleichgewicht ist. Die zweite ist ebenfalls einfach, da die C-Symmetrie (Ersetzen von Partikeln durch Antiteilchen) und die CP-Symmetrie (Ersetzen von Partikeln durch spiegelnd reflektierte Antiteilchen) in vielen schwachen Wechselwirkungen mit seltsamen, bezauberten und schönen Quarks unterbrochen werden.
Es bleibt die Frage, wie die Baryonenzahl gebrochen werden kann. Wir haben experimentell beobachtet, dass das Gleichgewicht von Quarks zu Antiquarks und Leptonen zu Antileptonen klar erhalten bleibt. Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es jedoch kein explizites Erhaltungsgesetz für eine dieser Größen separat.
Es sind drei Quarks erforderlich, um ein Baryon herzustellen. Daher weisen wir für jeweils drei Quarks eine Baryonennummer (B) 1 zu. Ebenso erhält jedes Lepton eine Leptonzahl (L) 1. Antiquarks, Antibaryonen und Antileptonen haben negative B- und L-Zahlen.
Nach den Regeln des Standardmodells bleibt jedoch nur der Unterschied zwischen Baryonen und Leptonen bestehen. Unter den richtigen Umständen können Sie nicht nur zusätzliche Protonen erzeugen, sondern auch Elektronen. Die genauen Umstände sind unbekannt, aber der Urknall gab ihnen die Möglichkeit, realisiert zu werden.
Die allerersten Stadien der Existenz des Universums werden durch unglaublich hohe Energien beschrieben: hoch genug, um jedes bekannte Teilchen und Antiteilchen in großen Mengen nach Einsteins berühmter Formel E = mc2 zu erzeugen. Wenn die Erzeugung und Zerstörung von Partikeln so funktioniert, wie wir denken, müsste das frühe Universum mit einer gleichen Anzahl von Partikeln aus Materie und Antimaterie gefüllt werden, die sich gegenseitig ineinander umwandeln, da die verfügbare Energie extrem hoch bleibt.
Während sich das Universum ausdehnt und abkühlt, werden instabile Teilchen, die einmal im Überfluss erzeugt wurden, zusammenbrechen. Wenn die richtigen Bedingungen erfüllt sind - insbesondere die drei Bedingungen für Zucker - kann dies zu einem Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie führen, selbst wenn anfangs keine vorhanden war. Die Herausforderung für Physiker besteht darin, ein tragfähiges Szenario zu erstellen, das mit Beobachtungen und Experimenten vereinbar ist und Ihnen genügend überschüssige Materie gegenüber Antimaterie liefert.
Es gibt drei Hauptmöglichkeiten für diesen Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie:
- Neue Physik auf der elektroschwachen Skala könnte das Ausmaß der C- und CP-Verletzung im Universum signifikant erhöhen, was zu Asymmetrien zwischen Materie und Antimaterie führen wird. SM-Wechselwirkungen (über den Sphaleron-Prozess), die B und L einzeln verletzen (aber B - L beibehalten), können das gewünschte Volumen an Baryonen und Leptonen erzeugen.
- Die neue hochenergetische Neutrino-Physik, auf die das Universum hinweist, könnte eine grundlegende Asymmetrie der Leptonen erzeugen: die Leptogenese. Sphalerone, die B - L konservieren, könnten dann eine Leptonasymmetrie verwenden, um eine Baryonenasymmetrie zu erzeugen.
- Oder Baryogenese auf der Skala der großen Vereinigung, wenn die neue Physik (und neue Teilchen) auf der Skala der großen Vereinigung existieren, wenn die elektroschwache Kraft mit der starken kombiniert wird.
Diese Szenarien haben gemeinsame Elemente. Schauen wir uns also zum Beispiel das letzte an, um zu verstehen, was möglicherweise passiert ist.
Wenn die Theorie der großen Vereinigung richtig ist, muss es neue, superschwere Teilchen namens X und Y geben, die sowohl baryonartige als auch leptonartige Eigenschaften haben. Es sollte auch Partner aus der Antimaterie geben: Anti-X und Anti-Y mit entgegengesetzten B - L-Zahlen und entgegengesetzten Ladungen, aber mit der gleichen Masse und Lebensdauer. Diese Teilchen-Antiteilchen-Paare können in großen Mengen bei Energien erzeugt werden, die hoch genug sind, um anschließend zu zerfallen.
Also füllen wir das Universum mit ihnen und dann zerfallen sie. Wenn wir C- und CP-Verstöße haben, kann es geringfügige Unterschiede geben, wie Partikel und Antiteilchen (X, Y und Anti-X, Anti-Y) zerfallen.
Wenn das X-Teilchen zwei Pfade hat: Zerfall in zwei Up-Quarks oder in zwei Anti-Down-Quarks und ein Positron, dann muss Anti-X zwei entsprechende Pfade durchlaufen: zwei Anti-Up-Quarks oder einen Down-Quark und ein Elektron. Es gibt einen wichtigen Unterschied, der zulässig ist, wenn C- und CP gebrochen werden: X zerfällt möglicherweise eher in zwei Up-Quarks als Anti-X in zwei Anti-Up-Quarks, während Anti-X eher in Down-Quarks und ein Elektron zerfällt als X - in einen Anti-Up-Quark und ein Positron.
Wenn Sie genug Paare haben und auf diese Weise zerfallen, können Sie leicht einen Überschuss an Baryonen über Antibaryonen (und Leptonen über Antileptonen) erhalten, wo es vorher keine gab.
Dies ist nur ein Beispiel, um unser Verständnis dessen zu veranschaulichen, was passiert ist. Wir begannen mit einem vollständig symmetrischen Universum, das allen bekannten Gesetzen der Physik gehorchte, und mit einem heißen, dichten, reichen Zustand, der in gleichen Mengen mit Materie und Antimaterie gefüllt war. Durch einen Mechanismus, den wir noch nicht definiert haben und der drei Bedingungen von Sacharow entspricht, haben diese natürlichen Prozesse letztendlich einen Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie erzeugt.
Die Tatsache, dass wir existieren und aus Materie bestehen, ist unbestreitbar; Die Frage ist, warum unser Universum etwas (Materie) und nicht nichts enthält (schließlich waren Materie und Antimaterie gleichermaßen geteilt). Vielleicht finden wir in diesem Jahrhundert die Antwort auf diese Frage.
Ilya Khel