Gugus galaksi bertabrakan

Hampir Tidak Ada Antimateri di Alam Semesta, Dan Tidak Ada yang Tahu Mengapa

Semesta dipenuhi dengan sesuatu, yang bertentangan dengan ketiadaan, dan para ilmuwan tidak memahaminya.

Ketika kita melihat-lihat Alam Semesta:

  • di planet-planet dan bintang-bintang,
  • di galaksi dan kluster galaksi,
  • dan pada gas, debu dan plasma yang mengisi ruang antara struktur padat ini,

kami menemukan tanda tangan yang sama di mana-mana. Kita melihat garis serapan atom dan emisi, kita melihat materi berinteraksi dengan bentuk materi lainnya, kita melihat pembentukan bintang dan kematian bintang, tabrakan, sinar-X dan banyak lagi. Ada pertanyaan jelas yang menyerukan penjelasan: mengapa ada semua hal ini, bukannya tidak sama sekali? Jika hukum fisika simetris antara materi dan antimateri, Semesta yang kita lihat hari ini seharusnya mustahil. Namun di sinilah kita, dan tidak ada yang tahu mengapa.

Pada semua skala di Semesta, dari lingkungan lokal kita ke medium antarbintang ke galaksi individual hingga kelompok ke filamen dan jaring kosmik yang hebat, semua yang kita amati tampaknya terbuat dari materi normal dan bukan antimateri. Ini adalah misteri yang tidak bisa dijelaskan. (NASA, ESA, DAN TIM WARISAN HUBBLE (STSCI / AURA))

Pikirkan tentang dua fakta yang tampaknya kontradiktif ini:

1.) Setiap interaksi antara partikel yang pernah kita amati, dalam semua energi, tidak pernah menciptakan atau menghancurkan satu partikel materi tanpa juga membuat atau menghancurkan jumlah partikel antimateri yang sama. Simetri fisik antara materi dan antimateri bahkan lebih ketat dari ini:

  • setiap kali kita membuat quark atau lepton, kita juga membuat antiquark atau antilepton,
  • setiap kali quark atau lepton dihancurkan, sebuah antiquark atau antilepton juga dihancurkan,
  • lepton dan antilepton yang dibuat atau dihancurkan harus seimbang di setiap keluarga lepton, dan
  • setiap kali quark atau lepton mengalami interaksi, tabrakan atau pembusukan, jumlah total quark dan lepton pada akhir reaksi (quark dikurangi antiquark, lepton dikurangi antilepton) adalah sama di akhir seperti di awal.

Satu-satunya cara kita mengubah jumlah materi di Alam Semesta adalah dengan mengubah antimateri Alam Semesta dengan jumlah yang sama.

Produksi pasangan materi / antimateri (kiri) dari energi murni adalah reaksi yang sepenuhnya dapat dibalikkan (kanan), dengan materi / antimateri yang dimusnahkan kembali menjadi energi murni. Ketika sebuah foton dibuat dan kemudian dihancurkan, ia mengalami peristiwa-peristiwa itu secara bersamaan, sementara tidak mampu mengalami hal lain sama sekali. (DMITRI POGOSYAN / UNIVERSITAS ALBERTA)

Namun, ada fakta kedua ini:

2.) Ketika kita melihat Alam Semesta, pada semua bintang, galaksi, awan gas, kluster, superclusters, dan struktur skala terbesar di mana-mana, semuanya tampak terbuat dari materi dan bukan antimateri. Kapan pun dan di mana pun antimateri dan materi bertemu di Semesta, ada ledakan energi yang fantastis karena penghancuran partikel-antipartikel.

Tapi kami tidak melihat tanda tangan materi apa pun yang dimusnahkan dengan antimateri pada skala terbesar. Kami tidak melihat bukti bahwa beberapa bintang, galaksi, atau planet yang kami amati terbuat dari antimateri. Kami tidak melihat sinar gamma khas yang kami harapkan untuk melihat apakah beberapa bagian antimateri bertabrakan (dan memusnahkan) dengan bagian-bagian materi. Sebaliknya, itu penting, penting di mana-mana, dalam kelimpahan yang sama di mana pun kita melihat.

Materi dan kandungan energi di Semesta pada saat ini (kiri) dan pada waktu sebelumnya (kanan). Perhatikan keberadaan energi gelap, materi gelap, dan prevalensi materi normal dibandingkan antimateri, yang begitu kecil sehingga tidak berkontribusi pada waktu yang ditunjukkan. (NASA, DIMODIFIKASI OLEH PENGGUNA UMUM WIKIMEDIA 老陳, DIMODIFIKASI LEBIH LANJUT OLEH E. SIEGEL)

Sepertinya tidak mungkin. Di satu sisi, tidak ada cara yang diketahui, mengingat partikel-partikel dan interaksinya di Semesta, untuk membuat lebih banyak materi daripada antimateri. Di sisi lain, semua yang kita lihat pasti terbuat dari materi dan bukan antimateri.

Kami sebenarnya telah mengamati penghancuran antimateri materi di beberapa lingkungan astrofisika yang ekstrem, tetapi hanya di sekitar sumber hiper-energetik yang menghasilkan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama, seperti lubang hitam masif. Ketika antimateri menabrak materi di Semesta, ia menghasilkan sinar gamma dari frekuensi yang sangat spesifik, yang kemudian dapat kita deteksi. Media antarbintang dan intergalaksi penuh dengan bahan, dan ketiadaan sinar gamma ini adalah sinyal kuat bahwa tidak ada banyak partikel antimateri yang terbang di mana saja, karena tanda tangan materi / antimateri itu akan muncul.

Banyak contoh bintang, nebula, gas, debu, dan bentuk materi lainnya dapat terlihat berinteraksi baik di dalam Bima Sakti maupun di luarnya. Dalam setiap contoh, kita melihat banyak bukti untuk penyerapan dan emisi, tetapi tidak ada bukti bahwa objek astrofisika terutama terbuat dari antimateri yang bertentangan dengan materi. (TIM WARISAN HUBBLE (AURA / STSCI), C. R. O'DELL (VANDERBILT), NASA)

Jika Anda melemparkan satu partikel antimateri ke dalam campuran galaksi kita, itu hanya akan bertahan selama sekitar 300 tahun sebelum dimusnahkan dengan partikel materi. Batasan itu memberi tahu kita, di dalam Bima Sakti, jumlah antimateri tidak boleh lebih dari 1 bagian dalam quadrilliion (10¹⁵) dibandingkan dengan jumlah total materi.

Pada skala yang lebih besar - galaksi satelit, galaksi skala besar, Bima Sakti dan bahkan skala cluster galaksi - batasannya tidak terlalu ketat tetapi masih sangat kuat. Dengan pengamatan yang mencakup jarak mulai dari beberapa juta tahun cahaya hingga lebih dari tiga miliar tahun cahaya, kami telah mengamati kelangkaan sinar-X dan sinar gamma yang kami harapkan dari penghancuran materi-antimateri. Bahkan pada skala kosmologis yang besar, 99,999% + dari apa yang ada di alam semesta kita jelas merupakan masalah (seperti kita) dan bukan antimateri.

Apakah dalam kelompok, galaksi, lingkungan bintang kita sendiri atau Tata Surya kita, kita memiliki batas yang luar biasa dan kuat pada fraksi antimateri di Semesta. Tidak ada keraguan: segala sesuatu di Semesta didominasi oleh materi. (GARY STEIGMAN, 2008, VIA ARXIV.ORG/ABS/0808.1122)

Jadi, bagaimana kita sampai di sini hari ini, dengan Semesta yang terbuat dari banyak materi dan praktis tanpa antimateri, jika hukum alam sepenuhnya simetris antara materi dan antimateri? Nah, ada dua pilihan: baik Semesta terlahir dengan lebih banyak materi daripada antimateri, atau sesuatu terjadi sejak dini, ketika Semesta sangat panas dan padat, untuk menciptakan asimetri materi / antimateri di mana awalnya tidak ada.

Gagasan pertama itu secara ilmiah tidak dapat diuji tanpa menciptakan kembali seluruh Semesta, tetapi yang kedua cukup meyakinkan. Jika Semesta kita entah bagaimana menciptakan asimetri materi / antimateri di mana awalnya tidak ada, maka aturan yang berlaku saat itu harus tetap tidak berubah hari ini. Jika kita cukup pintar, kita dapat menyusun tes eksperimental untuk mengungkap asal-usul materi di Alam Semesta kita.

Partikel dan antipartikel dari Model Standar mematuhi semua jenis hukum konservasi, tetapi ada sedikit perbedaan antara perilaku pasangan partikel / antipartikel tertentu yang mungkin merupakan petunjuk tentang asal-usul baryogenesis. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Pada akhir 1960-an, fisikawan Andrei Sakharov mengidentifikasi tiga kondisi yang diperlukan untuk baryogenesis, atau penciptaan lebih banyak baryon (proton dan neutron) daripada anti-baryon. Mereka adalah sebagai berikut:

  1. Semesta harus menjadi sistem yang tidak seimbang.
  2. Itu harus menunjukkan pelanggaran C dan CP.
  3. Harus ada interaksi yang melanggar nomor baryon.

Yang pertama mudah, karena Universe yang mengembang dan mendingin dengan partikel tidak stabil (dan / atau antipartikel) di dalamnya, menurut definisi, keluar dari kesetimbangan. Yang kedua juga mudah, karena simetri "C" (mengganti partikel dengan antipartikel) dan simetri "CP" (mengganti partikel dengan antipartikel yang dipantulkan cermin) keduanya dilanggar dalam banyak interaksi lemah yang melibatkan quark aneh, pesona, dan dasar.

Meson normal berputar berlawanan arah kutub utara dan kemudian meluruh dengan elektron yang dipancarkan di sepanjang arah Kutub Utara. Menerapkan simetri C menggantikan partikel dengan antipartikel, yang berarti kita harus memiliki putaran antimeson berlawanan arah jarum jam tentang peluruhan Kutub Utara dengan memancarkan positron ke arah Utara. Demikian pula, simetri-P membalik apa yang kita lihat di cermin. Jika partikel dan antipartikel tidak berperilaku sama persis di bawah simetri C, P, atau CP, maka simetri itu dikatakan dilanggar. Sejauh ini, hanya interaksi lemah yang melanggar salah satu dari ketiganya. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Itu menyisakan pertanyaan bagaimana cara melanggar nomor baryon. Secara eksperimental, kita telah melihat bahwa keseimbangan quark terhadap antiquark dan lepton terhadap antilepsi masing-masing dilestarikan secara eksplisit. Namun dalam Model Standar fisika partikel, tidak ada hukum konservasi eksplisit untuk salah satu dari jumlah tersebut secara individual.

Dibutuhkan tiga quark untuk membuat baryon, jadi untuk setiap tiga quark kita menetapkan angka baryon (B) dari 1. Demikian pula, setiap lepton memiliki nomor lepton (L) dari 1. Antiquark, antibaryons, dan antilepton semuanya memiliki B negatif dan Nomor L, sesuai.

Tetapi menurut Model Standar, hanya perbedaan antara baryon dan lepton, B - L, yang dilestarikan. Dalam keadaan yang tepat, Anda tidak hanya dapat membuat proton tambahan, Anda dapat membuat elektron yang Anda perlukan untuk membawanya. Keadaan yang tepat itu mungkin tidak diketahui, tetapi Big Bang memberi mereka kesempatan untuk muncul.

Pada suhu tinggi yang dicapai di Semesta yang sangat muda, tidak hanya partikel dan foton dapat dibuat secara spontan, diberi energi yang cukup, tetapi juga antipartikel dan partikel tidak stabil, menghasilkan sup partikel dan antipartikel purba. Namun bahkan dengan kondisi ini, hanya beberapa keadaan tertentu, atau partikel, dapat muncul. (BROOKHAVEN LABORATORIUM NASIONAL)

Tahap-tahap awal Semesta dijelaskan oleh energi yang sangat tinggi: cukup tinggi untuk membuat setiap partikel dan antipartikel yang dikenal sangat berlimpah melalui E = mc² Einstein yang terkenal. Jika penciptaan dan pemusnahan partikel bekerja seperti yang kita pikirkan, alam semesta awal harus diisi dengan jumlah materi dan partikel antimateri yang sama, semua saling bertautan karena energi yang tersedia tetap sangat tinggi.

Saat Alam Semesta mengembang dan mendingin, partikel tidak stabil, yang pernah diciptakan dalam jumlah sangat besar, akan membusuk. Jika kondisi yang tepat dipenuhi - khususnya, tiga kondisi Sakharov - mereka dapat menyebabkan kelebihan materi dibandingkan antimateri, bahkan di mana tidak ada awalnya. Tantangan bagi fisikawan adalah membuat skenario yang layak, konsisten dengan pengamatan dan eksperimen, yang dapat memberi Anda lebih banyak kelebihan materi dibandingkan antimateri.

Ketika simetri elektroweak pecah, kombinasi pelanggaran CP dan pelanggaran nomor baryon dapat menciptakan materi / antimateri asimetri di mana tidak ada sebelumnya, karena efek interaksi sphaleron yang bekerja pada kelebihan neutrino. (UNIVERSITAS OF HEIDELBERG)

Ada tiga kemungkinan utama tentang bagaimana kelebihan zat antimateri ini muncul:

  1. Fisika baru pada skala electroweak dapat sangat meningkatkan jumlah pelanggaran C dan CP di Semesta, yang mengarah ke asimetri antara materi dan antimateri. Interaksi Model Standar (melalui proses sphaleron), yang melanggar B dan L secara individual (tetapi masih menghemat B - L) kemudian dapat menghasilkan jumlah baron dan lepton yang tepat.
  2. Fisika neutrino baru dengan energi tinggi, yang kita punya petunjuk luar biasa, dapat menciptakan asimetri lepton yang mendasar sejak awal: leptogenesis. Sphaleron, yang menghemat B - L, kemudian dapat menggunakan asimetri lepton itu untuk menghasilkan asimetri baryon.
  3. Atau baryogenesis skala GUT, di mana fisika baru (dan partikel baru) ditemukan ada pada skala unifikasi besar, di mana gaya elektroweak menyatu dengan gaya kuat.

Semua skenario ini memiliki beberapa elemen yang sama, jadi mari kita telusuri yang terakhir, hanya sebagai contoh, untuk melihat apa yang bisa terjadi.

Selain partikel lain di Semesta, jika gagasan Grand Unified Theory berlaku untuk Semesta kita, akan ada tambahan boson super-berat, partikel X dan Y, bersama dengan antipartikel mereka, ditunjukkan dengan muatan yang sesuai di tengah panas lautan partikel lain di Semesta awal. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Jika penyatuan besar itu benar, maka harus ada partikel baru yang sangat berat, yang disebut X dan Y, yang memiliki sifat seperti baryon dan lepton. Seharusnya juga ada rekan antimateri mereka: anti-X dan anti-Y, dengan angka B-L yang berlawanan dan muatan yang berlawanan, tetapi massa dan masa pakai yang sama. Pasangan partikel-antipartikel ini dapat diciptakan dalam kelimpahan besar dengan energi yang cukup tinggi, dan kemudian akan membusuk di waktu kemudian.

Sehingga Alam Semesta Anda dapat diisi dengan mereka, dan kemudian mereka akan membusuk. Namun, jika Anda memiliki pelanggaran C dan CP, maka ada kemungkinan ada sedikit perbedaan antara bagaimana partikel dan antipartikel (X / Y vs anti-X / anti-Y) membusuk.

Jika kita membiarkan partikel X dan Y meluruh ke kombinasi quark dan lepton yang ditunjukkan, rekan-rekan antipartikel mereka akan membusuk ke dalam kombinasi antipartikel masing-masing. Tetapi jika CP dilanggar, jalur peluruhan - atau persentase partikel membusuk satu arah terhadap yang lain - dapat berbeda untuk partikel X dan Y dibandingkan dengan partikel anti-X dan anti-Y, yang menghasilkan produksi bersih baryon lebih antibaryons dan lepton di atas antilepton. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Jika partikel-X Anda memiliki dua jalur: membusuk menjadi dua quark atau anti-down quark dan positron, maka anti-X harus memiliki dua jalur yang sesuai: dua quark anti-up atau quark bawah dan elektron. Perhatikan bahwa X memiliki B - L dua pertiga dalam kedua kasus, sedangkan anti-X memiliki dua pertiga negatif. Mirip dengan Y / anti-Partikel. Tetapi ada satu perbedaan penting yang diperbolehkan dengan pelanggaran C- dan CP: X bisa lebih mungkin untuk membusuk menjadi dua quark daripada anti-X adalah membusuk menjadi dua quark anti-up, sedangkan anti-X bisa menjadi lebih mungkin membusuk menjadi quark turun dan elektron daripada X adalah membusuk menjadi quark anti-turun dan positron.

Jika Anda memiliki cukup pasangan X / anti-X dan Y / anti-Y, dan mereka membusuk dengan cara yang diizinkan ini, Anda dapat dengan mudah membuat kelebihan baryon di atas antibaryon (dan lepton di atas anti-lepton) di mana sebelumnya tidak ada.

Di alam semesta awal, kumpulan partikel lengkap dan partikel antimateri mereka sangat berlimpah, tetapi ketika mereka mendingin, mayoritas dimusnahkan. Semua masalah konvensional yang kita tinggalkan hari ini berasal dari quark dan lepton, dengan angka baryon dan lepton positif, yang melebihi jumlah barang antik dan antipepton. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Itu salah satu contoh yang menggambarkan bagaimana kami pikir itu pasti terjadi. Kami mulai dengan Semesta yang benar-benar simetris, mematuhi semua hukum fisika yang diketahui dan mulai dengan keadaan yang kaya, padat, kaya yang penuh dengan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama. Melalui beberapa mekanisme yang belum ditentukan, salah satu yang mematuhi ketiga kondisi Sakharov, proses alami ini menghasilkan kelebihan materi dibandingkan antimateri pada akhirnya.

Fakta bahwa kita ada dan terbuat dari materi tidak dapat disangkal lagi; pertanyaan mengapa Alam Semesta kita mengandung sesuatu (materi) dan bukan apa-apa (dari campuran materi dan antimateri yang sama-sama musnah) masih merupakan pertanyaan yang belum terjawab. Abad ini, kemajuan dalam pengujian electroweak presisi, teknologi collider, fisika neutrino, dan eksperimen yang menyelidiki melampaui Model Standar memiliki peluang untuk mengungkapkan dengan tepat bagaimana hal itu terjadi. Sampai saat itu, kita dapat yakin bahwa hampir tidak ada antimateri di Semesta, tetapi tidak ada yang tahu mengapa.

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.