Mengapa alam semesta kita berputar dengan lebih banyak perkara daripada antimatter rakan sejawatan yang luar biasa - dan mengapa kita wujud sama sekali - adalah salah satu teka-teki fizik moden yang paling membingungkan.
Entah bagaimana, apabila alam semesta sangat muda, hampir semua antimatter hilang, hanya meninggalkan perkara biasa. Ahli teori telah lama membuat penjelasan yang sukar difahami - dan yang lebih penting, satu cara untuk menguji penjelasan itu dengan eksperimen.
Sekarang, trio ahli teori telah mencadangkan bahawa trio zarah yang dipanggil Higgs bosons boleh bertanggungjawab terhadap tindakan antimateri misterius yang hilang di alam semesta. Dan mereka fikir mereka tahu bagaimana mencari penyebab yang disyaki.
Kes antimatter yang hilang
Dalam hampir setiap interaksi antara zarah subatomik, antimatter (yang sama dengan perkara biasa tetapi dengan caj yang bertentangan) dan perkara biasa dihasilkan dalam ukuran yang sama. Nampaknya simetri asas alam semesta. Namun, apabila kita keluar dan melihat alam semesta yang sama, kita tidak melihat apa-apa antimatter sama sekali. Setakat fizik boleh memberitahu, untuk setiap zarah antimatter masih berkeliaran, terdapat kira-kira satu bilion zarah perkara biasa, semua di seluruh alam semesta.
Misteri ini berjalan dengan banyak nama, seperti masalah masalah asimetri dan masalah asimetri baryon; tanpa menghiraukan nama, ahli fiziknya terbantut. Setakat ini, tiada siapa yang dapat memberikan penjelasan yang konsisten dan konsisten untuk menguasai perkara lebih daripada antimatter, dan kerana tugas ahli fizik untuk menjelaskan bagaimana alam semula jadi berfungsi, ia mula merengsa.
Walau bagaimanapun, alam semulajadi meninggalkan beberapa petanda yang tersendiri bagi kita untuk teka-teki. Sebagai contoh, tiada bukti untuk banyak antimatter muncul dalam latar belakang gelombang kosmik yang kononnya - haba yang tersisa daripada Big Bang, kelahiran alam semesta. Ini menunjukkan bahawa caper berlaku di alam semesta yang sangat awal. Dan alam semesta awal adalah tempat yang cukup gila, dengan segala macam fizik yang kurang rumit dan difahami berlaku. Jadi jika masalah dan antimatter akan berpecah, itulah masa yang baik untuk melakukannya.
Menyalahkan Higgs
Sebenarnya, masa terbaik untuk menghilangkan antimatter adalah semasa zaman yang singkat tetapi teruk di alam semesta kita apabila daya alam dipecah kerana kosmos sejuk.
Pada tenaga yang tinggi (seperti yang ada di dalam collider zarah), daya elektromagnet dan daya nuklear yang lemah menggabungkan kuasa mereka untuk membentuk daya baru: electroweak. Sebaik sahaja keadaan sejuk dan kembali kepada tenaga harian biasa, bagaimanapun, elektroweak berpecah kepada dua kuasa biasa.
Walaupun tenaga yang lebih tinggi, seperti yang dijumpai pada momen pertama Big Bang, kita berfikir bahawa kuasa nuklear yang kuat bergabung dengan elektroweak, dan pada tenaga yang lebih tinggi, graviti menyertai parti itu menjadi satu kuasa tunggal. Tetapi kita belum tahu bagaimana graviti masuk ke dalam permainan lagi.
Boson Higgs, yang dicadangkan untuk wujud pada tahun 1960-an tetapi tidak dijumpai hingga 2012 di dalam Collider Hadron Besar, melakukan kerja membelah kuasa elektromagnetik dari kekuatan nuklear yang lemah. Pakar fizik cukup yakin bahawa pemisahan perkara-antimatter berlaku sebelum keempat daya alam jatuh ke tempat sebagai entiti mereka sendiri; itu kerana kita mempunyai pemahaman yang cukup jelas mengenai fizik alam semesta selepas berpecah, dan menambah terlalu banyak antimateri pada zaman kemudian melanggar pemerhatian terhadap latar gelombang mikro kosmik).
Oleh itu, mungkin bos bos Higgs memainkan peranan.
Tetapi Higgs dengan sendirinya tidak dapat memotongnya; tidak ada mekanisme yang diketahui hanya menggunakan Higgs untuk menyebabkan ketidakseimbangan antara materi dan antimatter.
Syukurlah, kisah Higgs mungkin tidak berakhir. Pakar fizik telah menemui satu boson Higgs dalam eksperimen collider, dengan jisim sekitar 125 bilion volt elektron, atau GeV - untuk rujukan, proton seberat sekitar 1 GeV.
Ternyata, Higgs tidak boleh bersendirian.
Ia sepenuhnya mungkin ada lebih banyak boson Higgs yang terapung di sekitar yang lebih besar daripada yang kita dapat mengesan dalam eksperimen kita. Kini, orang-orang Higgs yang lebih hebat, jika mereka wujud, tidak akan melakukan apa-apa, tidak benar-benar mengambil bahagian dalam mana-mana fizik yang boleh kami akses dengan penangkap kami - Kami tidak mempunyai tenaga yang cukup untuk "mengaktifkan" mereka. Tetapi pada zaman awal alam semesta, apabila tenaga banyak, jauh lebih tinggi, Higgs yang lain mungkin telah diaktifkan, dan Higgs mungkin menyebabkan ketidakseimbangan dalam interaksi zarah tertentu, yang membawa kepada asimetri moden antara bahan dan antimatter.
Menyelesaikan misteri
Dalam makalah baru-baru ini yang diterbitkan secara online dalam jurnal pra arXiv, tiga ahli fizik mencadangkan satu penyelesaian yang berpotensi menarik: Mungkin, tiga Higgs bosons (digelar "Higgs Troika") memainkan permainan kentang panas di alam semesta awal, menghasilkan banjir perkara normal . Apabila perkara menyentuh antimateri - Poof - dua membasmi dan hilang.
Dan sebagainya sebahagian besar aliran itu akan menghapuskan antimatter, mengalir hampir sepenuhnya dari kewujudannya dalam banjir radiasi. Dalam senario ini, akan ada perkara normal yang cukup untuk menuntun alam semesta sekarang yang kita tahu dan cinta.
Untuk membuat kerja ini, para ahli teori mencadangkan trio itu termasuk zarah Higgs yang diketahui dan dua pemula, dengan setiap duo ini mempunyai massa sekitar 1,000 GeV. Nombor ini semata-mata sewenang-wenangnya, tetapi telah dipilih secara khusus untuk membuat Higgs hipotesis ini berpotensi dapat ditemui dengan penemu zarah generasi akan datang. Tidak ada gunanya meramalkan kewujudan zarah yang tidak dapat dikesan.
Fizik kemudiannya mempunyai cabaran. Mana-mana mekanisma menyebabkan asimetri harus memberi kelebihan kepada antimatter dengan faktor satu bilion kepada satu. Dan, ia mempunyai tingkap yang sangat singkat di alam semesta awal untuk melakukan perkara itu; sekali kuasa dipecah, permainan berakhir dan fizik seperti yang kita tahu ia terkunci di tempat. Dan mekanisme ini, termasuk dua Higgs baru, mesti dapat diuji.
Jawapan ringkas: Mereka mampu melakukannya. Ini difahami sebagai proses yang sangat rumit, tetapi kisah yang menyeluruh (dan teoritis) seperti ini: Dua Higgs baru mereput ke dalam pancuran dari zarah pada kadar yang sedikit berbeza dan dengan pilihan yang sedikit berbeza untuk perkara yang berkaitan dengan antimatter. Perbezaan ini membina dari semasa ke semasa, dan apabila kuasa electroweak dipecah, terdapat cukup perbezaan dalam populasi zarah-zat antimatter "yang dibina" ke alam semesta bahawa perkara biasa berakhir menguasai antimatter.
Pasti, ini menyelesaikan masalah asimetri baryon tetapi hanya dengan segera membawa kepada persoalan sifat semula jadi dengan begitu banyak boson Higgs. Tetapi kita akan mengambil satu langkah pada satu masa.
