Чому наш Всесвіт закручений більшою кількістю матерії, ніж його химерна антиматерія - і чому ми взагалі існуємо - є однією з найбільш вражаючих загадок сучасної фізики.
Якось, коли Всесвіт був неймовірно молодий, майже всі антиматерії зникли, залишивши лише звичайні речі. Теоретики давно переслідують незрозуміле пояснення - і, що важливіше, спосіб перевірити це пояснення експериментами.
Тепер трио теоретиків запропонувало, щоб тріо частинок під назвою бозонів Хіггса могло бути відповідальним за таємничий зникаючий акт антиматерії у Всесвіті. І вони думають, що знають, як знайти підозрюваних винуватців.
Справа відсутньої антиматерії
Майже в кожній взаємодії між субатомними частинками антиматерія (яка ідентична нормальній речовині, але з протилежним зарядом) і нормальна речовина виробляються в рівній мірі. Схоже, це фундаментальна симетрія Всесвіту. І все ж, коли ми виходимо і дивимось у той самий Всесвіт, ми майже не бачимо антиматерії. Наскільки фізики можуть сказати, на кожну частинку антиматерії, яка все ще висить, у космосі є близько мільярда частинок нормальної речовини.
Ця таємниця має багато назв, таких як проблема асиметрії матерії та проблема асиметрії баріона; незалежно від імені, це фізики тупцювали. На сьогоднішній день ніхто не зміг надати цілісного, послідовного пояснення пануванню речовини над антиматерією, і оскільки завдання фізиків пояснити, як працює природа, вона починає дратувати.
Однак природа залишила для нас деякі підказки, щоб розгадати загадку. Наприклад, жодних свідчень про багато антиматерії не виявляється на так званому космічному мікрохвильовому фоні - теплі, що залишилися від Великого вибуху, народження Всесвіту. Це говорить про те, що каперс стався в самому ранньому Всесвіті. А ранній Всесвіт був досить божевільним місцем, з усілякими складними, погано зрозумілими фізиками. Тож якщо матерія та антиматерия розійдуться, це гарний час для цього.
Звинувачуйте Хіггса
Насправді найкращий час для зникнення антиматерії - це коротка, але бурхлива епоха у нашому Всесвіті, коли сили природи розщеплювалися, коли космос охолоджувався.
При високій енергії (як і у внутрішньому коллайджері частинок) електромагнітна сила і слабка ядерна сила об'єднують свої сили для формування нової сили: електрослаблення. Однак коли речі охолонуть і повернуться до нормальних повсякденних енергій, однак електрослабка розбивається на знайомі дві сили.
При навіть більш високих енергіях, як і ті, що виявляються в перші моменти Великого вибуху, ми думаємо, що сильна ядерна сила зливається з електрослабленням, а при ще більш високих енергіях гравітація приєднує сторону до єдиної єдиної сили. Але ми ще не зовсім зрозуміли, як гравітація потрапляє у гру.
Бозон Хіггса, запропонований існувати в 1960-х роках, але не виявлений до 2012 року всередині Великого адронного колайдера, робить роботу з розщеплення електромагнітної сили від слабкої ядерної сили. Фізики доволі впевнені, що розщеплення речовини-антиматерії відбулося до того, як усі чотири сили природи стали на місце як власні сутності; це тому, що ми маємо досить чітке розуміння фізики Всесвіту після розщеплення, і додавання занадто багато антиматерії в пізніші епохи порушує спостереження за космічним фоном мікрохвильового світла).
Можливо, бозон Хіггса відіграє певну роль.
Але Хіггс сам по собі не може його розрізати; не існує відомого механізму, що використовує саме Хіггса, щоб викликати дисбаланс між речовиною та антиматерою.
На щастя, історія Хіггса може не закінчитися. Фізики знайшли єдиний бозон Хіггса в експериментах на колайдерах, маса яких становить близько 125 млрд. Вольт електронів, або GeV - для довідки, протон важить близько 1 ГеВ.
Виявляється, Хіггс може бути не один.
Цілком можливо, що навколо них пливе більше бойонів Хіггса, які є більш масивними, ніж те, що ми можемо виявити в даний час в наших експериментах. На сьогоднішній день ті гефтьєрські Хіггси, якби вони існували, не зробили б багато чого, не беручи участі в будь-якій фізиці, до якої ми можемо отримати доступ із нашими коллайдерами - у нас просто не вистачає енергії, щоб "активувати" їх. Але в перші дні Всесвіту, коли енергії були набагато, набагато вищі, інші Хіггси могли бути активовані, і ці Хіггси, можливо, викликали дисбаланс у певних взаємодіях між основними частинками, що призвело до сучасної асиметрії між речовиною та антиматерією.
Розгадування таємниці
У недавньому документі, опублікованому в Інтернеті в журналі препринт arXiv, три фізики запропонували цікаве потенційне рішення: Можливо, три бозони Хіггса (що отримали назву "трійка Хіггса") грали в гру гарячої картоплі в ранньому Всесвіті, породжуючи потоп нормальної речовини . Коли матерія торкається антиматерії - Poof - вони знищують і зникають.
І тому більша частина цього потоку речовини знищила б антиматерію, витіснивши її майже повністю з існування під потоком радіації. У цьому сценарії було б достатньо нормальної матерії, яка б призвела до сучасного Всесвіту, який ми знаємо і любимо.
Щоб зробити цю роботу, теоретики пропонують тріо включати одну відому частинку Хіггса та два новачків, причому кожен з цього дуету має масу близько 1000 ГеВ. Ця цифра є чисто довільною, але була спеціально обрана для того, щоб зробити цей гіпотетичний Хіггс потенційно відкритим для наступного покоління колайдерів. Немає сенсу передбачати існування частинки, яку ніколи не можна буде виявити.
Тоді перед фізиками виникає проблема. Який би механізм не спричиняв, асиметрія повинна надати матерію перевагу проти антиматерії в коефіцієнті від мільярда до одного. І у раннього Всесвіту є дуже короткий проміжок часу, щоб зробити свою справу; як тільки сили розбиваються, гра закінчується, а фізика, як ми знаємо, зафіксована на місці. І цей механізм, включаючи двох нових Хіггсів, повинен бути перевіреним.
Коротка відповідь: Вони змогли це зробити. Це зрозуміло дуже складний процес, але всеохоплююча (і теоретична) історія йде так: Два нових Хіггса розпадаються на зливи частинок з дещо різною швидкістю і з дещо різними уподобаннями щодо речовини проти антиматерії. Ці розбіжності накопичуються з часом, і коли сила електроослаблення розпадається, у Всесвіті "вбудовано" у сукупність "вбудованих" популяцій частинок речовини-антиматерії достатньо різниці, що нормальна речовина в кінцевому підсумку домінує над антиматерою.
Звичайно, це вирішує проблему асиметрії баріона, але відразу негайно призводить до питання, що робить природа з такою кількістю бозонів Хіггса. Але ми будемо робити крок по черзі.
