Cuando miramos el Universo, todos sus planetas y estrellas, galaxias y cúmulos, gas, polvo, plasma, vemos las mismas firmas en todas partes. Vemos líneas de absorción y emisión atómicas, vemos que la materia interactúa con otras formas de materia, vemos la formación de estrellas y la muerte de estrellas, colisiones, rayos X y mucho más. Hay una pregunta obvia que requiere explicación: ¿por qué estamos viendo todo esto? Si las leyes de la física dictan la simetría entre la materia y la antimateria, el universo que observamos no debería existir.
Pero estamos aquí y nadie sabe por qué.
¿Por qué no hay antimateria en el Universo?
norte
Piense en estos dos hechos aparentemente contradictorios:
- cada vez que creamos un quark o lepton, también creamos un antiquark y antilepton;
- cada vez que se destruye un quark o lepton, también se destruye un antiquark o antilepton;
- Los leptones y antileptones creados o destruidos deben estar en equilibrio en toda la familia summerpon, y cada vez que un quark o lepton interactúa, choca o se desintegra, el número total de quarks y leptones al final de la reacción (quarks menos antiquarks, leptones menos antileptones) debe y será lo mismo que al principio.
La única forma de cambiar la cantidad de materia en el universo era también cambiar la cantidad de antimateria en la misma cantidad.
Y, sin embargo, hay un segundo hecho.
Pero no vemos ningún signo de destrucción de materia por antimateria en la mayor escala. No vemos ninguna señal de que algunas de las estrellas, galaxias o planetas que observamos estén hechos de antimateria. No vemos los rayos gamma característicos que uno esperaría ver si la antimateria chocara con la materia y se aniquilara. En cambio, solo vemos materia dondequiera que miremos.
Video promocional:
Y parece imposible. Por un lado, no existe una forma conocida de producir más materia que antimateria observando las partículas y sus interacciones en el universo. Por otro lado, todo lo que vemos está definitivamente hecho de materia, no de antimateria.
De hecho, hemos observado la aniquilación de materia y antimateria en algunas condiciones astrofísicas extremas, pero solo cerca de fuentes hiperenérgicas que producen materia y antimateria en cantidades iguales, como los agujeros negros, por ejemplo. Cuando la antimateria choca con la materia del universo, produce rayos gamma de frecuencias muy específicas, que luego podemos detectar. El medio intergaláctico interestelar está lleno de material, y la ausencia total de estos rayos gamma es una fuerte señal de que nunca habrá muchas más partículas de antimateria, ya que entonces se descubriría la firma de la materia de antimateria.
Si arrojas una partícula de antimateria a nuestra galaxia, durará unos 300 años antes de ser destruida por una partícula de materia. Esta limitación nos dice que la cantidad de antimateria en la Vía Láctea no puede exceder 1 partícula por cuatrillón (1015), en relación con la cantidad total de materia.
A gran escala, la escala de las galaxias satélites, las grandes galaxias del tamaño de la Vía Láctea e incluso los cúmulos de galaxias, las restricciones son menos estrictas, pero aún muy fuertes. Observando distancias desde unos pocos millones de años luz hasta tres mil millones de años luz, hemos observado una escasez de rayos X y rayos gamma que podrían indicar la aniquilación de materia y antimateria. Incluso a gran escala cosmológica, el 99,999% de lo que existe en nuestro universo definitivamente estará representado por materia (como lo somos nosotros), no por antimateria.
¿Cómo nos encontramos en una situación tal que el Universo está formado por una gran cantidad de materia y prácticamente no contiene antimateria, si las leyes de la naturaleza son absolutamente simétricas entre materia y antimateria? Bueno, hay dos opciones: o el Universo nació con más materia que antimateria, o algo sucedió en una etapa temprana, cuando el Universo era muy caliente y denso, y dio lugar a una asimetría de materia y antimateria, que originalmente no existía.
La primera idea no se puede probar científicamente sin recrear todo el Universo, pero la segunda es muy convincente. Si nuestro Universo de alguna manera creó una asimetría de materia y antimateria donde no estaba originalmente, entonces las reglas que funcionaron entonces permanecerán sin cambios hoy. Si somos lo suficientemente inteligentes, podemos desarrollar pruebas experimentales que revelen el origen de la materia en nuestro universo.
A finales de la década de 1960, el físico Andrei Sakharov identificó tres condiciones necesarias para la bariogénesis, o la creación de más bariones (protones y neutrones) que antibióticos. Aquí están:
- El universo debe ser un sistema de desequilibrio.
- Debe tener una infracción C y CP.
- Debe haber interacciones que violen el número bariónico.
La primera es fácil de observar, ya que un Universo en expansión y enfriamiento con partículas inestables en él (y antipartículas), por definición, estará fuera de equilibrio. El segundo también es simple, porque la simetría C (reemplazando partículas con antipartículas) y la simetría CP (reemplazando partículas con antipartículas reflejadas de forma especular) rompen en muchas interacciones débiles que involucran quarks extraños, encantados y hermosos.
norte
La pregunta sigue siendo cómo romper el número bariónico. Hemos observado experimentalmente que el equilibrio de quarks a antiquarks y leptones a antileptones se conserva claramente. Pero en el modelo estándar de física de partículas no existe una ley de conservación explícita para ninguna de estas cantidades por separado.
Se necesitan tres quarks para hacer un barión, por lo que por cada tres quarks asignamos un número de barión (B) 1. Asimismo, cada leptón recibirá un número de leptón (L) 1. Antiquarks, antibariones y antileptones tendrán números B y L negativos.
Pero de acuerdo con las reglas del Modelo Estándar, solo queda la diferencia entre bariones y leptones. En las circunstancias adecuadas, no solo puede crear protones adicionales, sino también electrones para ellos. Se desconocen las circunstancias exactas, pero el Big Bang les dio la oportunidad de realizarse.
Las primeras etapas de la existencia del Universo se describen mediante energías increíblemente altas: lo suficientemente altas como para crear todas las partículas y antipartículas conocidas en grandes cantidades de acuerdo con la famosa fórmula de Einstein E = mc2. Si la creación y destrucción de partículas funciona de la manera que pensamos, el universo primitivo tendría que estar lleno de un número igual de partículas de materia y antimateria que se transforman mutuamente, ya que la energía disponible sigue siendo extremadamente alta.
A medida que el universo se expande y se enfría, las partículas inestables, una vez creadas en abundancia, colapsarán. Si se cumplen las condiciones adecuadas, en particular, las tres condiciones de los azúcares, esto puede conducir a un exceso de materia sobre antimateria, incluso si inicialmente no había ninguno. El desafío para los físicos es crear un escenario viable, consistente con la observación y la experimentación, que pueda proporcionar suficiente materia en exceso sobre antimateria.
Hay tres posibilidades principales para este exceso de materia sobre antimateria:
- La nueva física en la escala electrodébil podría aumentar significativamente la cantidad de violación de C y CP en el Universo, lo que conducirá a asimetrías entre la materia y la antimateria. Las interacciones SM (a través del proceso de sphaleron) que violan B y L individualmente (pero retienen B - L) pueden crear los volúmenes deseados de bariones y leptones.
- La nueva física de neutrinos de alta energía que el universo está insinuando podría crear una asimetría fundamental de leptones: la leptogénesis. Los esfalerones que conservan B - L podrían usar la asimetría de leptones para crear asimetría de bariones.
- O bariogénesis en la gran escala de unificación, si la nueva física (y las nuevas partículas) existen en la gran escala de unificación, cuando la fuerza electrodébil se combina con la fuerte.
Estos escenarios tienen elementos comunes, así que echemos un vistazo al último, solo a modo de ejemplo, para comprender qué pudo haber sucedido.
Si la teoría de la gran unificación es correcta, debe haber nuevas partículas superpesadas llamadas X e Y que tengan propiedades similares a bariones y leptones. También deberían estar sus socios de la antimateria: anti-X y anti-Y, con números B - L opuestos y cargas opuestas, pero con la misma masa y vida útil. Estos pares de partículas y antipartículas se pueden crear en grandes cantidades a energías lo suficientemente altas como para descomponerse posteriormente.
Entonces llenamos el universo con ellos y luego se desintegran. Si tenemos violaciones de C y CP, puede haber ligeras diferencias en cómo decaen las partículas y antipartículas (X, Y y anti-X, anti-Y).
Si la partícula X tiene dos caminos: decaer en dos quarks up o en dos quarks anti-down y un positrón, entonces anti-X debe pasar por dos caminos correspondientes: dos quarks anti-up o un quark down y un electrón. Hay una diferencia importante que se permite cuando C- y CP se rompen: es más probable que X se descomponga en dos quarks up que anti-X en dos quarks anti-up, mientras que anti-X es más probable que se descomponga en un quark down y un electrón. que X - en un quark anti-up y un positrón.
Con un número suficiente de pares y decaimiento de esta manera, puede obtener fácilmente un exceso de bariones sobre antibariones (y leptones sobre antileptones) donde antes no había ninguno.
Este es solo un ejemplo para ilustrar nuestra comprensión de lo que sucedió. Comenzamos con un universo completamente simétrico, obedeciendo todas las leyes físicas conocidas, y con un estado rico, denso y caliente, lleno de materia y antimateria en cantidades iguales. A través de un mecanismo que todavía tenemos que definir, obedeciendo las tres condiciones de Sajarov, estos procesos naturales finalmente crearon un exceso de materia sobre antimateria.
El hecho de que existimos y estamos hechos de materia es innegable; la pregunta es por qué nuestro Universo contiene algo (materia) y no nada (después de todo, la materia y la antimateria estaban igualmente divididas). Quizás en este siglo encontremos la respuesta a esta pregunta.
Ilya Khel
