L'ammasso di galassie in collisione

Non c'è quasi antimateria nell'universo e nessuno sa perché

L'universo è pieno di qualcosa, al contrario di nulla, e gli scienziati non lo capiscono.

Quando ci guardiamo intorno nell'universo:

  • ai pianeti e alle stelle,
  • alle galassie e ai gruppi di galassie,
  • e al gas, polvere e plasma che popolano lo spazio tra queste strutture dense,

troviamo le stesse firme ovunque. Vediamo l'assorbimento atomico e le linee di emissione, vediamo la materia interagire con altre forme di materia, vediamo formazione stellare e morte stellare, collisioni, raggi X e molto altro. C'è una domanda ovvia che chiede una spiegazione: perché c'è tutta questa roba, piuttosto che niente? Se le leggi della fisica sono simmetriche tra materia e antimateria, l'Universo che vediamo oggi dovrebbe essere impossibile. Eppure eccoci qui, e nessuno sa perché.

Su tutte le scale dell'Universo, dal nostro vicinato locale al mezzo interstellare alle singole galassie, dai gruppi ai filamenti e alla grande rete cosmica, tutto ciò che osserviamo sembra fatto di materia normale e non di antimateria. Questo è un mistero inspiegabile. (NASA, ESA E THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA))

Pensa a questi due fatti apparentemente contraddittori:

1.) Ogni interazione tra particelle che abbiamo mai osservato, a tutte le energie, non ha mai creato o distrutto una singola particella di materia senza creare o distruggere un numero uguale di particelle di antimateria. La simmetria fisica tra materia e antimateria è ancora più rigorosa di questa:

  • ogni volta che creiamo un quark o leptone, creiamo anche un antiquark o antilepton,
  • ogni volta che un quark o un leptone viene distrutto, viene distrutto anche un antiquark o un antilepton,
  • i leptoni e gli antileptoni creati o distrutti devono essere bilanciati in ogni famiglia di leptoni e
  • ogni volta che un quark o un leptone sperimenta un'interazione, una collisione o un decadimento, il numero netto totale di quark e leptoni alla fine della reazione (quark meno antiquark, leptons meno antileptons) è lo stesso alla fine com'era all'inizio.

L'unico modo in cui abbiamo mai cambiato la quantità di materia nell'Universo è stato anche cambiare l'antimateria dell'Universo di una quantità uguale.

La produzione di coppie materia / antimateria (a sinistra) dall'energia pura è una reazione completamente reversibile (a destra), con materia / antimateria che si annichilano di nuovo alla pura energia. Quando un fotone viene creato e poi distrutto, sperimenta quegli eventi contemporaneamente, mentre non è in grado di sperimentare nient'altro. (DMITRI POGOSYAN / UNIVERSITÀ DI ALBERTA)

Eppure, c'è questo secondo fatto:

2.) Quando osserviamo l'Universo, tutte le stelle, le galassie, le nuvole di gas, i cluster, i superammassi e le strutture su larga scala ovunque, tutto sembra essere fatto di materia e non di antimateria. Ogni volta e ovunque l'antimateria e la materia si incontrino nell'Universo, c'è un fantastico scoppio di energia dovuto all'annientamento particella-antiparticella.

Ma non vediamo alcuna firma della materia che annichilisce con l'antimateria sulle scale più grandi. Non vediamo alcuna prova che alcune stelle, galassie o pianeti che abbiamo osservato siano fatti di antimateria. Non vediamo i raggi gamma caratteristici che ci aspetteremmo se alcune parti di antimateria si scontrassero (e annichilissero) con le parti della materia. Invece, è materia, materia ovunque, nella stessa abbondanza ovunque guardiamo.

La materia e il contenuto energetico nell'Universo al momento attuale (a sinistra) e in tempi precedenti (a destra). Nota la presenza di energia oscura, materia oscura e prevalenza della materia normale sull'antimateria, che è così minuta da non contribuire in nessuno dei tempi indicati. (NASA, MODIFICATO DALL'UTENTE COMUNE DI WIKIMEDIA 老陳, ULTERIORE MODIFICATO DA E. SIEGEL)

Sembra un'impossibilità. Da un lato, non esiste un modo noto, date le particelle e le loro interazioni nell'Universo, per produrre più materia dell'antimateria. D'altra parte, tutto ciò che vediamo è sicuramente fatto di materia e non di antimateria.

Abbiamo effettivamente osservato l'annichilimento materia-antimateria in alcuni ambienti astrofisici estremi, ma solo intorno a fonti iperenergetiche che producono materia e antimateria in quantità uguali, come enormi buchi neri. Quando l'antimateria incontra la materia nell'Universo, produce raggi gamma di frequenze molto specifiche, che possiamo quindi rilevare. Il mezzo interstellare e intergalattico è pieno di materiale, e la completa mancanza di questi raggi gamma è un segnale forte che non ci sono grandi quantità di particelle di antimateria che volano ovunque, poiché quella firma materia / antimateria apparirebbe.

Molti esempi di stelle, nebulose, gas, polvere e altre forme di materia possono essere visti interagire sia all'interno della Via Lattea che oltre. In ogni caso, vediamo molte prove dell'assorbimento e dell'emissione, ma nessuna prova che qualsiasi oggetto astrofisico sia costituito principalmente da antimateria rispetto alla materia. (HUBBLE HERITAGE TEAM (AURA / STSCI), C. R. O’DELL (VANDERBILT), NASA)

Se avessi lanciato una singola particella di antimateria nel mix della nostra galassia, sarebbe durata solo circa 300 anni prima di annientarsi con una particella di materia. Questo vincolo ci dice, all'interno della Via Lattea, che la quantità di antimateria non può essere più di 1 parte in un quadrilione (10¹⁵) rispetto alla quantità totale di materia.

Su scale più grandi - di galassie satellitari, principali, galassie su scala della Via Lattea e persino le scale di ammassi di galassie - i vincoli sono meno rigorosi ma ancora molto forti. Con osservazioni che coprono distanze che vanno da pochi milioni di anni luce a oltre tre miliardi di anni luce, abbiamo osservato una carenza di raggi X e raggi gamma che ci aspetteremmo dall'annientamento materia-antimateria. Anche su larga scala cosmologica, il 99,999% + di ciò che esiste nel nostro Universo è sicuramente materia (come noi) e non antimateria.

Che si tratti di ammassi, galassie, del nostro vicinato stellare o del nostro Sistema Solare, abbiamo enormi e potenti limiti sulla frazione di antimateria nell'Universo. Non ci possono essere dubbi: tutto nell'Universo è dominato dalla materia. (GARY STEIGMAN, 2008, VIA ARXIV.ORG/ABS/0808.1122)

Quindi come siamo arrivati ​​qui oggi, con un universo fatto di molta materia e praticamente senza antimateria, se le leggi della natura sono completamente simmetriche tra materia e antimateria? Bene, ci sono due opzioni: o l'Universo è nato con più materia dell'antimateria, o qualcosa è accaduto all'inizio, quando l'Universo era molto caldo e denso, per creare un'asimmetria materia / antimateria dove inizialmente non ce n'era.

Questa prima idea è scientificamente non verificabile senza ricreare l'intero Universo, ma la seconda è abbastanza convincente. Se il nostro Universo in qualche modo creasse un'asimmetria materia / antimateria dove inizialmente non ce n'era una, allora le regole in gioco allora dovrebbero rimanere invariate oggi. Se siamo abbastanza intelligenti, possiamo escogitare test sperimentali per scoprire l'origine della materia nel nostro Universo.

Le particelle e le antiparticelle del Modello Standard obbediscono a tutti i tipi di leggi di conservazione, ma ci sono lievi differenze tra il comportamento di alcune coppie particella / antiparticella che possono essere suggerimenti dell'origine della baricesi. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Alla fine degli anni '60, il fisico Andrei Sakharov identificò tre condizioni necessarie per la barogenesi o la creazione di più barioni (protoni e neutroni) rispetto agli anti-barioni. Sono i seguenti:

  1. L'universo deve essere un sistema fuori equilibrio.
  2. Deve presentare una violazione di C e CP.
  3. Devono esserci interazioni che violano il numero di barioni.

Il primo è facile, perché un Universo in espansione e di raffreddamento con particelle instabili (e / o antiparticelle) in esso è, per definizione, fuori equilibrio. Anche la seconda è facile, poiché la simmetria “C” (che sostituisce le particelle con antiparticelle) e la simmetria “CP” (che sostituisce le particelle con antiparticelle riflesse a specchio) sono entrambe violate in molte interazioni deboli che coinvolgono strani, fascino e quark bottom.

Un mesone normale gira in senso antiorario attorno al suo Polo Nord e poi decade con un elettrone emesso lungo la direzione del Polo Nord. L'applicazione della simmetria C sostituisce le particelle con antiparticelle, il che significa che dovremmo avere un antimeson che gira in senso antiorario sul suo decadimento del Polo Nord emettendo un positrone nella direzione Nord. Allo stesso modo, la simmetria P lancia ciò che vediamo in uno specchio. Se le particelle e le antiparticelle non si comportano esattamente allo stesso modo nelle simmetrie C, P o CP, si dice che tale simmetria sia violata. Finora, solo l'interazione debole viola una delle tre. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Ciò lascia la questione di come violare il numero di barioni. Sperimentalmente, abbiamo visto che l'equilibrio tra quark e antiquark e leptoni con antileptoni sono esplicitamente conservati. Ma nel modello standard di fisica delle particelle, non esiste una legge esplicita di conservazione per una di quelle quantità singolarmente.

Ci vogliono tre quark per creare un barione, quindi per ogni tre quark assegniamo un numero barionico (B) di 1. Allo stesso modo, ogni leptone ha un numero leptonico (L) di 1. Antiquark, antibaryon e antileptons hanno tutti B negativo e L numeri, di conseguenza.

Ma secondo il modello standard, è solo la differenza tra barioni e leptoni, B - L, che è conservata. Nelle giuste circostanze, non solo puoi creare protoni extra, ma puoi creare gli elettroni necessari per accompagnarli. Quelle circostanze esatte possono essere sconosciute, ma il Big Bang caldo ha dato loro l'opportunità di sorgere.

Alle alte temperature raggiunte nell'Universo molto giovane, non solo possono essere create spontaneamente particelle e fotoni, con sufficiente energia, ma anche antiparticelle e particelle instabili, che si traducono in una zuppa primordiale di particelle e antiparticelle. Eppure, anche con queste condizioni, possono emergere solo alcuni stati o particelle specifici (BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)

Le prime fasi dell'Universo sono descritte da energie incredibilmente alte: abbastanza alte da creare ogni particella e antiparticella conosciute in grande abbondanza tramite la famosa E = mc² di Einstein. Se la creazione e l'annientamento delle particelle funzionano nel modo in cui pensiamo che funzioni, l'Universo primordiale dovrebbe essere riempito di uguali quantità di materia e particelle di antimateria, tutte interconvertite l'una con l'altra quando l'energia disponibile rimane estremamente elevata.

Man mano che l'Universo si espande e si raffredda, le particelle instabili, una volta create in grande abbondanza, decadranno. Se vengono soddisfatte le giuste condizioni, in particolare le tre condizioni di Sakharov, possono portare a un eccesso di materia rispetto all'antimateria, anche se inizialmente non ce n'erano. La sfida per i fisici sta generando uno scenario praticabile, coerente con osservazioni ed esperimenti, che può darti abbastanza di un eccesso di materia rispetto all'antimateria.

Quando la simmetria elettrodebolo si rompe, la combinazione di violazione del CP e violazione del numero barionico può creare un'asimmetria materia / antimateria dove prima non esisteva, a causa dell'effetto delle interazioni dello sfalerone che lavorano su un eccesso di neutrino. (UNIVERSITÀ DI HEIDELBERG)

Esistono tre principali possibilità su come sarebbe potuto emergere questo eccesso di materia rispetto all'antimateria:

  1. La nuova fisica su scala elettrodebole potrebbe aumentare notevolmente la quantità di violazione di C e CP nell'Universo, portando a un'asimmetria tra materia e antimateria. Le interazioni del Modello standard (attraverso il processo dello sfalerone), che violano B e L individualmente (ma conservano comunque B - L) possono quindi generare la giusta quantità di barioni e leptoni.
  2. La nuova fisica dei neutrini ad alte energie, di cui abbiamo un enorme accenno, potrebbe creare presto un'asimmetria leptonica fondamentale: la leptogenesi. Gli sphaleron, che conservano B - L, potrebbero quindi usare quell'asimmetria leptonica per generare un'asimmetria barionica.
  3. O baricesi su scala GUT, in cui si riscontra che nuova fisica (e nuove particelle) esistono sulla grande scala di unificazione, dove la forza elettrodebole si unisce alla forza forte.

Questi scenari hanno tutti alcuni elementi in comune, quindi passiamo attraverso l'ultimo, solo come esempio, per vedere cosa sarebbe potuto succedere.

Oltre alle altre particelle nell'Universo, se l'idea di una Teoria Unificata si applica al nostro Universo, ci saranno ulteriori bosoni super pesanti, particelle X e Y, insieme alle loro antiparticelle, mostrate con le loro cariche appropriate in mezzo al caldo mare di altre particelle nell'Universo primordiale. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Se la grande unificazione è vera, allora dovrebbero esserci nuove particelle super pesanti, chiamate X e Y, che hanno proprietà simili al barione e al leptone. Dovrebbero esserci anche le loro controparti di antimateria: anti-X e anti-Y, con i numeri B - L opposti e le cariche opposte, ma la stessa massa e durata. Queste coppie particella-antiparticella possono essere create in grande abbondanza con energie abbastanza elevate, e quindi decadranno in tempi successivi.

Quindi il tuo Universo può essere riempito con loro, e poi decadranno. Se hai una violazione di C e CP, tuttavia, è possibile che vi siano lievi differenze tra il modo in cui le particelle e le antiparticelle (X / Y vs. anti-X / anti-Y) decadono.

Se permettiamo alle particelle X e Y di decadere nelle combinazioni di quark e leptoni mostrate, le loro controparti antiparticelle decadranno nelle rispettive combinazioni antiparticelle. Ma se la CP viene violata, i percorsi di decadimento - o la percentuale di particelle che decadono in un modo rispetto a un altro - possono essere diversi per le particelle X e Y rispetto alle particelle anti-X e anti-Y, con conseguente produzione netta di barioni anticari e leptoni sugli antileptoni. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Se la tua particella X ha due percorsi: decadimento in due quark up o un quark anti-down e un positrone, allora l'anti-X deve avere due percorsi corrispondenti: due quark anti-up o un quark down e un elettrone. Si noti che la X ha B - L di due terzi in entrambi i casi, mentre l'anti-X ha due terzi negativi. È simile per le Y / anti-Yparticle. Ma c'è una differenza importante che è consentita con la violazione di C e CP: l'X potrebbe avere maggiori probabilità di decadere in due quark up rispetto all'anti-X è decadere in due quark anti-up, mentre l'anti-X potrebbe essere più probabilità di decadere in un quark down e un elettrone rispetto alla X è decadere in un quark anti-down e un positrone.

Se hai abbastanza coppie X / anti-X e Y / anti-Y, e decadono in questo modo consentito, puoi facilmente fare un eccesso di barioni rispetto agli anticari (e leptoni sugli anti-leptoni) dove prima non ce n'erano.

Nel primo Universo, l'intera serie di particelle e le loro particelle di antimateria erano straordinariamente abbondanti, ma mentre si raffreddavano, la maggior parte si annichilì. Tutta la materia convenzionale che abbiamo lasciato oggi proviene dai quark e dai leptoni, con numeri di barioni e leptoni positivi, che superavano le loro controparti antiquark e antilepton. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Questo è un esempio che illustra come pensiamo che debba essere successo. Abbiamo iniziato con un universo completamente simmetrico, obbedendo a tutte le leggi conosciute della fisica e iniziando con uno stato caldo, denso e ricco, pieno di materia e antimateria in egual misura. Attraverso un meccanismo ancora da determinare, che obbedisce alle tre condizioni di Sakharov, alla fine questi processi naturali hanno generato un eccesso di materia rispetto all'antimateria.

Il fatto che esistiamo e siamo fatti di materia è indiscutibile; la domanda sul perché il nostro Universo contenga qualcosa (materia) anziché nulla (da un uguale mix di materia e antimateria che si annulla) è ancora senza risposta. Questo secolo, i progressi nei test di elettrodebole di precisione, nella tecnologia dei collider, nella fisica dei neutrini e negli esperimenti di sondaggio oltre il Modello standard hanno la possibilità di rivelare esattamente come è successo. Fino ad allora, possiamo essere certi che non esiste quasi antimateria nell'Universo, ma nessuno sa perché.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.