Почему наша вселенная кружится с большим количеством материи, чем ее странная двойная антивещество - и почему мы вообще существуем - это одна из самых загадочных проблем современной физики.
Каким-то образом, когда вселенная была невероятно молода, почти все антивещества исчезли, оставив только обычные вещи. Теоретики долго преследовали неуловимое объяснение - и, что более важно, способ проверить это объяснение с помощью экспериментов.
Теперь трио теоретиков предположило, что трио частиц, называемых бозонами Хиггса, может быть ответственным за таинственный исчезающий акт антивещества во вселенной. И они думают, что знают, как найти подозреваемых преступников.
Дело о пропавшем антивеществе
Почти в каждом отдельном взаимодействии между субатомными частицами антиматерия (которая идентична нормальной материи, но с противоположным зарядом) и нормальная материя производятся в равной мере. Кажется, это фундаментальная симметрия вселенной. И все же, когда мы выходим и смотрим на ту же вселенную, мы почти не видим никакой антивещества. Насколько могут судить физики, на каждую частицу антиматерии, которая все еще слоняется, существует около миллиарда частиц нормальной материи по всему космосу.
Эта загадка называется многими именами, такими как проблема асимметрии вещества и проблема асимметрии бариона; независимо от имени, это поставило в тупик физиков. На сегодняшний день никто не смог дать последовательного, последовательного объяснения доминирования материи над антивеществом, и поскольку физикам приходится объяснять, как работает природа, она начинает раздражать.
Тем не менее, природа оставила некоторые подсказки, чтобы мы могли разобраться. Например, никаких доказательств наличия большого количества антивещества на так называемом космическом микроволновом фоне - тепло, оставшееся от Большого взрыва, рождения Вселенной. Это говорит о том, что каперсы произошли в очень ранней вселенной. И ранняя вселенная была довольно сумасшедшим местом, где происходили всевозможные сложные, плохо понятые физики. Так что, если материя и антивещество разделятся, самое время это сделать.
Виноват Хиггс
На самом деле, лучшее время для исчезновения антивещества - это короткая, но бурная эпоха в нашей вселенной, когда силы природы распадаются, когда космос остывает.
При высоких энергиях (например, внутри коллайдера частиц) электромагнитная сила и слабая ядерная сила объединяют свои силы, образуя новую силу: электрослабую. Однако когда вещи остывают и возвращаются к обычной повседневной энергии, электрослабое расщепляется на знакомые две силы.
При еще более высоких энергиях, подобных тем, которые были обнаружены в первые моменты Большого взрыва, мы думаем, что сильная ядерная сила сливается с электрослабым, а при еще более высоких энергиях гравитация объединяет партию в единую объединенную силу. Но мы еще не выяснили, как гравитация влияет на игру.
Бозон Хиггса, предположительно существовавший в 1960-х годах, но не обнаруженный до 2012 года внутри Большого адронного коллайдера, выполняет функцию отделения электромагнитной силы от слабой ядерной силы. Физики совершенно уверены, что раскол материи и антивещества произошел до того, как все четыре силы природы стали на свои места; это потому, что у нас есть достаточно четкое понимание физики вселенной после разделения, и добавление слишком большого количества антивещества в более поздние эпохи нарушает наблюдения космического микроволнового фона).
Таким образом, возможно, бозон Хиггса играет роль.
Но Хиггс сам по себе не может этого сделать; нет никакого известного механизма, использующего только Хиггса, чтобы вызвать дисбаланс между веществом и антивеществом.
К счастью, история Хиггса не может быть закончена. Физики обнаружили один бозон Хиггса в экспериментах на коллайдере с массой около 125 миллиардов электрон-вольт, или ГэВ - для сравнения, протон весит около 1 ГэВ.
Оказывается, Хиггс может быть не одинок.
Вполне возможно, что вокруг будет больше бозонов Хиггса, которые будут более массивными, чем то, что мы в настоящее время можем обнаружить в наших экспериментах. В настоящее время эти более здоровенные Хиггсы, если они существуют, мало что сделают, фактически не участвуя в какой-либо физике, к которой мы можем получить доступ с помощью наших коллайдеров - у нас просто не хватает энергии, чтобы «активировать» их. Но в первые дни существования Вселенной, когда энергии были намного, намного выше, другие Хиггсы могли быть активированы, и эти Хиггсы могли вызвать дисбаланс в некоторых взаимодействиях фундаментальных частиц, что привело к современной асимметрии между веществом и антивеществом.
Разгадать тайну
В недавней статье, опубликованной онлайн в журнале препринтов arXiv, три физика предложили интересное потенциальное решение: возможно, три бозона Хиггса (названные «тройкой Хиггса») играли в игру с горячим картофелем в ранней вселенной, создавая поток нормальной материи , Когда материя касается антивещества - Пуф - два уничтожают и исчезают.
И поэтому большая часть этого потока вещества уничтожит антивещество, почти полностью уничтожив его в потоке радиации. В этом сценарии было бы достаточно нормального вещества, чтобы привести к современной вселенной, которую мы знаем и любим.
Чтобы сделать эту работу, теоретики предлагают, чтобы трио включало одну известную хиггсовскую частицу и двух новичков, причем каждый из этих дуэтов имел массу около 1000 ГэВ. Это число является чисто произвольным, но оно было специально выбрано для того, чтобы этот гипотетический хиггс был потенциально обнаружим в следующем поколении коллайдеров частиц. Нет смысла предсказывать существование частицы, которую невозможно обнаружить.
Тогда у физиков есть проблема. Какой бы механизм ни вызывал асимметрию, это должно дать материю преимущество над антивеществом в миллиардном соотношении. И у него есть очень короткое время в ранней вселенной, чтобы делать свое дело; как только силы раскололись, игра окончена, и физика, как мы знаем, заблокирована. И этот механизм, включая два новых Хиггса, должен быть тестируемым.
Краткий ответ: они смогли это сделать. Понятно, что это очень сложный процесс, но всеобъемлющая (и теоретическая) история выглядит следующим образом: два новых хиггсовских распадаются на потоки частиц с немного разными скоростями и с немного разными предпочтениями вещества по сравнению с антивеществом. Эти различия со временем накапливаются, и когда электрослабая сила распадается, достаточно различий в популяции частиц вещества-антивещества, «встроенных» во вселенную, что нормальная материя в конечном итоге доминирует над антивеществом.
Конечно, это решает проблему асимметрии барионов, но сразу же приводит к вопросу о том, что природа делает с таким количеством бозонов Хиггса. Но мы сделаем все шаг за шагом.
