Γιατί το σύμπαν μας στροβιλίζεται με περισσότερη ύλη από την περίεργη αντικατάστασή του - και γιατί υπάρχει καθόλου - είναι ένα από τα πιο περίπλοκα παζλ της σύγχρονης φυσικής.
Με κάποιο τρόπο, όταν το σύμπαν ήταν απίστευτα νέος, σχεδόν όλη η αντιύλη εξαφανίστηκε αφήνοντας μόνο τα φυσιολογικά πράγματα. Οι θεωρητικοί έχουν εδώ και καιρό καταλάβει την αδιαμφισβήτητη εξήγηση - και πιο σημαντικό, έναν τρόπο να δοκιμάσουν αυτή την εξήγηση με πειράματα.
Τώρα, ένα τρίο των θεωρητικών έχει προτείνει ότι ένα τρίο σωματιδίων που ονομάζονται μποζόνια Higgs θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο για τη μυστηριώδη πράξη εξαφάνισης της αντιύλης στο σύμπαν. Και νομίζουν ότι ξέρουν πώς να βρουν τους πιθανολογούμενους ενόχους.
Η περίπτωση της αντιύλης που λείπει
Σε σχεδόν κάθε αλληλεπίδραση μεταξύ υποατομικών σωματιδίων, η αντιύλη (η οποία είναι πανομοιότυπη με την κανονική ύλη αλλά με αντίθετο φορτίο) και η κανονική ύλη παράγονται με ίσο μέτρο. Φαίνεται να είναι μια θεμελιώδης συμμετρία του σύμπαντος. Και όμως, όταν βγαίνουμε έξω και κοιτάξουμε το ίδιο σύμπαν, δεν βλέπουμε καθόλου αντιύλη. Όσο οι φυσικοί μπορούν να πουν, για κάθε σωματίδιο αντιύλης που κρέμεται ακόμα, υπάρχουν περίπου ένα δισεκατομμύριο σωματίδια φυσιολογικής ύλης, σε όλο τον κόσμο.
Αυτό το μυστήριο πηγαίνει από πολλά ονόματα, όπως το πρόβλημα ασυμμετρίας ύλης και το πρόβλημα ασυμμετρίας του βαρυονίου. ανεξάρτητα από το όνομα, έχει φυσάει φυσικοί. Από τώρα, κανείς δεν μπόρεσε να παράσχει μια συνεκτική και συνεπή εξήγηση για την κυριαρχία της ύλης έναντι της αντιύλης και δεδομένου ότι είναι η δουλειά των φυσικών να εξηγήσουν πώς λειτουργεί η φύση, αρχίζει να ενοχλεί.
Ωστόσο, η φύση αφήνει κάποιες ενδείξεις που βρίσκονται γύρω μας για να γελοιοποιήσουμε. Για παράδειγμα, δεν υπάρχουν στοιχεία για πολλά αντιύλη που εμφανίζονται στο λεγόμενο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο - θερμότητα που απομένει από το Big Bang, τη γέννηση του σύμπαντος. Αυτό δείχνει ότι το κάπαρο συνέβη στο πολύ πρώιμο σύμπαν. Και το πρώιμο σύμπαν ήταν ένα αρκετά τρελό μέρος, με όλα τα περίπλοκα, κακώς κατανοητά φυσικά να συμβαίνουν. Έτσι, αν η ύλη και η αντιύλη πρόκειται να χωριστούν, είναι καλή στιγμή να το κάνουμε.
Κατηγορήστε το Χιγκς
Στην πραγματικότητα, ο καλύτερος χρόνος για να εξαφανιστεί η αντιύλη είναι κατά τη διάρκεια της σύντομης αλλά ταραχώδους περιόδου στο σύμπαν μας όταν οι δυνάμεις της φύσης χωρίζονταν καθώς ο Κόσμος δροσίστηκε.
Σε υψηλές ενέργειες (όπως αυτές μέσα σε ένα σωματιδιακό συγκρουσιακό), η ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η αδύναμη πυρηνική δύναμη συνδυάζουν τις δυνάμεις τους για να σχηματίσουν μια νέα δύναμη: electroweak. Όταν τα πράγματα δροσιστούν και επιστρέψουν στις φυσιολογικές καθημερινές ενέργειες, ωστόσο, ο ηλεκτροπαραγωγός χωρίζεται στις γνωστές δύο δυνάμεις.
Σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες, όπως αυτές που βρέθηκαν στις πρώτες στιγμές του Μεγάλου Τραγουδιού, πιστεύουμε ότι η ισχυρή πυρηνική δύναμη συγχωνεύεται με τον ηλεκτροπαραγωγό, και στις ακόμα υψηλότερες ενέργειες, η βαρύτητα ενώνει το κόμμα σε μια ενιαία ενοποιημένη δύναμη. Αλλά δεν έχουμε καταλάβει πόσο βαρύτητα εισέρχεται στο παιχνίδι ακόμα.
Το μποζόνιο Higgs, που προτάθηκε να υπάρχει στη δεκαετία του 1960 αλλά δεν ανακαλύφθηκε μέχρι το 2012 μέσα στο Large Hadron Collider, κάνει το έργο της διάσπασης της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης από την αδύναμη πυρηνική δύναμη. Οι φυσικοί είναι αρκετά σίγουροι ότι ο χωρισμός της αντικειμενικής αντιύλης συνέβη πριν οι τέσσερις δυνάμεις της φύσης έρθουν σε ισχύ ως οι δικές τους οντότητες. αυτό συμβαίνει γιατί έχουμε μια αρκετά σαφή κατανόηση της φυσικής του σύμπαντος μετά τη διάσπαση και η προσθήκη πάρα πολύ αντιύλης σε μεταγενέστερες εποχές παραβιάζει τις παρατηρήσεις του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου).
Ως εκ τούτου, ίσως το μποζόνιο Higgs παίζει κάποιο ρόλο.
Αλλά το Higgs από μόνο του δεν μπορεί να το κόψει. δεν υπάρχει γνωστός μηχανισμός που να χρησιμοποιεί μόνο το Higgs για να προκαλέσει μια ανισορροπία μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Ευτυχώς, η ιστορία του Higgs μπορεί να μην έχει τελειώσει. Οι φυσικοί έχουν βρει ένα μοναδικό μποζόνιο Higgs σε πειράματα συγκρούσεων, με μάζα περίπου 125 δισεκατομμυρίων ηλεκτρονίων βολτ, ή GeV - για αναφορά, ένα πρωτόνιο ζυγίζει περίπου 1 GeV.
Αποδεικνύεται ότι ο Higgs μπορεί να μην είναι μόνος.
Είναι εξ ολοκλήρου πιθανό να υπάρχουν περισσότερα μποζόνια Higgs που κυμαίνονται γύρω από αυτά που είναι πιο μαζικά από αυτά που μπορούμε να εντοπίσουμε επί του παρόντος στα πειράματά μας. Σήμερα, οι πιο δυνατοί Higgs, αν υπάρχουν, δεν θα το κάνουν πολύ, δεν συμμετέχουν πραγματικά σε καμία φυσική που μπορούμε να έχουμε με τους συγκρουσιαστές μας - απλά δεν έχουμε αρκετή ενέργεια για να τις «ενεργοποιήσουμε». Αλλά στις πρώτες μέρες του σύμπαντος, όταν οι ενέργειες ήταν πολύ, πολύ υψηλότερες, το άλλο Higgs θα μπορούσε να ενεργοποιηθεί και οι Higgs ίσως προκάλεσαν μια ανισορροπία σε ορισμένες αλληλεπιδράσεις θεμελιωδών σωματιδίων, οδηγώντας στη σύγχρονη ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Επίλυση του μυστηρίου
Σε μια πρόσφατη δημοσίευσή τους στο περιοδικό preprint arXiv, τρεις φυσικοί πρότειναν μια ενδιαφέρουσα πιθανή λύση: Ίσως, τρία μποζόνια Higgs (που ονομάστηκαν "Τρόικα του Χιγκς") έπαιξαν ένα παιχνίδι ζεστής πατάτας στο πρώιμο σύμπαν, δημιουργώντας μια πλημμύρα φυσιολογικής ύλης . Όταν η ύλη αγγίζει την αντιύλη - Poof - οι δύο εκμηδενίζονται και εξαφανίζονται.
Και έτσι το μεγαλύτερο μέρος αυτού του ρεύματος της ύλης θα εξόντωσε την αντιύλη, κατακλύζοντας σχεδόν εξ ολοκλήρου από την ύπαρξή της σε μια πλημμύρα ακτινοβολίας. Σε αυτό το σενάριο θα υπήρχε αρκετό φυσιολογικό θέμα που θα οδηγούσε στο σημερινό σύμπαν που γνωρίζουμε και αγαπάμε.
Για να κάνουν αυτό το έργο, οι θεωρητικοί προτείνουν ότι το τρίο περιλαμβάνει το γνωστό σωματίδιο Higgs και δύο αρχάριους, με κάθε ένα από αυτά να έχει μια μάζα περίπου 1.000 GeV. Αυτός ο αριθμός είναι καθαρά αυθαίρετος, αλλά επιλέχθηκε συγκεκριμένα για να καταστήσει αυτόν τον υποθετικό Higgs δυνητικά ανιχνεύσιμο με την επόμενη γενιά σωματιδιακών συγκρούσεων. Δεν υπάρχει καμία πρόβλεψη για την ύπαρξη ενός σωματιδίου που δεν μπορεί ποτέ να ανιχνευθεί.
Οι φυσικοί έχουν τότε μια πρόκληση. Οποιοσδήποτε μηχανισμός προκαλεί την ασυμμετρία πρέπει να δώσει στην ύλη ένα πλεονέκτημα έναντι της αντιύλης κατά ένα συντελεστή ενός δισεκατομμυρίου προς ένα. Και, έχει ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα στο πρώιμο σύμπαν για να κάνει το πράγμα του. όταν οι δυνάμεις χωριστούν, το παιχνίδι τελείωσε και η φυσική, όπως γνωρίζουμε, είναι κλειδωμένη στη θέση της. Και αυτός ο μηχανισμός, συμπεριλαμβανομένων των δύο νέων Higgs, πρέπει να είναι δοκιμαστικός.
Η σύντομη απάντηση: Ήταν σε θέση να το κάνουν. Είναι κατανοητά μια πολύ περίπλοκη διαδικασία, αλλά η πρωταρχική (και θεωρητική) ιστορία πηγαίνει έτσι: Οι δύο νέοι Χίγκες αποσυντίθενται σε ντους σωματιδίων σε ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς και με ελαφρώς διαφορετικές προτιμήσεις για την ύλη έναντι της αντιύλης. Αυτές οι διαφορές συσσωρεύονται με την πάροδο του χρόνου, και όταν η δύναμη ηλεκτροσόκ μπορεί να διασπαστεί, υπάρχει αρκετή διαφορά στους πληθυσμούς των σωματιδίων των αντι-σωματικών σωματιδίων "ενσωματωμένο" στο σύμπαν ότι η κανονική ύλη καταλήγει να κυριαρχεί πάνω από την αντιύλη.
Σίγουρα, αυτό λύει το πρόβλημα ασυμμετρίας του βαρυονίου, αλλά αμέσως οδηγεί στο ερώτημα του τι κάνει η φύση με τόσες μποζόνες Higgs. Αλλά θα πάμε τα πράγματα ένα βήμα κάθε φορά.
