Почему во Вселенной почти нет антиматерии?

Когда мы смотрим на Вселенную, на все ее планеты и звезды, галактики и скопления, газ, пыль, плазму, мы видим всюду одни и те же сигнатуры. Мы видим линии атомной абсорбции и эмиссии, видим, что материя взаимодействует с другими формами материи, видим звездообразование и смерть звезд, столкновения, рентгеновское излучение и многое другое. Есть очевидный вопрос, который требует объяснения: почему мы видим все это? Если законы физики диктуют симметрию между материей и антиматерией, Вселенная, которую мы наблюдаем, не должна существовать.

Но мы здесь, и никто не знает, почему.
 

Подумайте об этих двух противоречивых, на первый взгляд, фактах:

 1.  Каждое взаимодействие между частицами, которое мы когда-либо наблюдали при любых энергиях, никогда не создавало и не разрушало одну частицу материи, не создавая при этим и не уничтожая равное количество частиц аниматерии. Физическая симметрия между материей и антиматерией очень строгая, ведь:

 

Единственный способ изменить количество материи во Вселенной подразумевал также изменение количества антиматерии на такую же величину.

И все же, есть второй факт.

  2.  Когда мы смотрим на Вселенную, на все звезды, галактики, газовые облака, скопления, сверхскопления и крупномасштабные структуры, кажется, будто все это состоит из материи, а не антиматерии. Везде и всюду, где антиматерия и материя встречаются во Вселенной, происходит фантастический выброс энергии из-за аннигиляции частиц.

Но мы не видим никаких признаков уничтожения вещества антивеществом в самых больших масштабов. Мы не видим никаких признаков того, что некоторые из звезд, галактик или планет, которые мы наблюдаем, сделаны из антивещества. Мы не видим характерных гамма-лучей, которые следовало бы ожидать увидеть, если бы антиматерия сталкивалась с материей и аннигилировала. Вместо этого всюду мы видим только материю, куда ни посмотри.

И это кажется невозможным. С одной стороны, нет никакого известного способа сделать больше вещества, чем антивещества, если обращаться к частицам и их взаимодействию во Вселенной. С другой стороны, все, что мы видим, определенно состоит из вещества, а не антивещества.

На самом деле, мы наблюдали аннигиляцию материи и антиматерии в некоторых экстремальных астрофизических условиях, но только возле гиперэнергетических источников, которые производят вещество и антивещество в равных количествах — черные дыры, например. Когда антивещество сталкивается с веществом во Вселенной, оно производит гамма-лучи очень специфических частот, которые можем затем обнаружить. Межзвездная межгалактическая среда полна материала, и полное отсутствие этих гамма-лучей является сильным сигналом о том, что никогда больше нет большого количества частиц антиматерии, поскольку тогда сигнатура материи-антиматерии была бы обнаружена.

Если вы бросите одну частичку антиматерии в нашу галактику, она просуществует порядка 300 лет, прежде чем будет уничтожена частицей материи. Это ограничение говорит нам, что в Млечном Пути количество антиматерии не может превышать значение 1 частицы на квадриллион (1015), относительно общего количества материи.

На крупных масштабах — масштабах спутниковых галактик, больших галактик размера Млечного Пути и даже скоплений галактик — ограничения менее строгие, но все же очень сильные. Наблюдая расстояния от нескольких миллионов световых лет до трех миллиардов световых лет, мы наблюдали недостаток рентгеновских и гамма-лучей, которые могли бы указывать на аннигиляцию материи и антиматерии. Даже в больших космологических масштабах 99,999% того, что существует в нашей Вселенной, определенно будет представлено материей (как мы), а не антиматерией.

Как же мы оказались в такой ситуации, что Вселенная состоит из большого количества материи и практически не содержит антиматерии, если законы природы абсолютно симметричны между материей и антиматерией? Что ж, есть два варианта: либо Вселенная была рождена с большим количеством материи, нежели антиматерии, либо что-то произошло на ранней стадии, когда Вселенная была очень горячей и плотной, и породило асимметрию материи и антиматерии, которой изначально не было.

Первую идею проверить научно без воссоздания целой Вселенной не получится, но вторая весьма убедительна. Если наша Вселенная каким-то образом создала асимметрию материи и антиматерии там, где изначально ее не было, то правила, которые работали тогда, останутся неизменными и сегодня. Если мы достаточно умны, мы сможем разработать экспериментальные тесты, раскрывающие происхождение материи в нашей Вселенной.

В конце 1960-х годов физик Андрей Сахаров определил три условия, необходимые для бариогенеза или создания большего количества барионов (протонов и нейтронов), чем антибарионов. Вот они:

Первое соблюсти просто, поскольку расширяющаяся и остывающая Вселенная с нестабильными частицами в ней (и античастицами), по определению, будет вне равновесия. Второе тоже просто, поскольку C-симметрия (замена частиц античастицами) и CP-симметрия (замена частиц зеркально отраженными античастицами) нарушаются во множестве слабых взаимодействий с участием странных, очарованных и прекрасных кварков.

Остается вопрос, как нарушить барионное число. Экспериментально мы наблюдали, что баланс кварков к антикваркам и лептонов к антилептонам явно сохраняется. Но в Стандартной модели физики элементарных частиц не существует явного закона сохранения ни для одной из этих величин по отдельности.

Нужно три кварка, чтобы сделать барион, поэтому на каждые три кварка мы назначаем барионное число (B) 1. Точно так же каждый лептон получит лептонное число (L) 1. Антикварки, антибарионы и антилептоны будут иметь отрицательные числа B и L.

Но по правилам Стандартной модели сохраняется только разница между барионами и лептонами. При правильных обстоятельствах вы можете не только создавать дополнительные протоны, но и электроны к ним. Точные обстоятельства неизвестны, но Большой Взрыв дал им возможность реализоваться.

Самые первые этапы существования Вселенной описываются невероятно высокими энергиями: достаточно высокими, чтобы создать каждую известную частицу и античастицу в большом количестве по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2. Если создание и уничтожение частиц работает так, как мы думаем, ранняя Вселенная должна была быть заполненной равным количеством частиц материи и антиматерии, которые взаимно превращались друг в друга, поскольку доступная энергия оставалась чрезвычайно высокой.

 

По мере расширения и охлаждения Вселенной нестабильные частицы, однажды созданные в изобилии, будут разрушаться. При соблюдении правильных условий — в частности, трех условий Сахаров — это может привести к избытку вещества над антивеществом, даже если изначально его не было. Задача для физиков — создать жизнеспособный сценарий, соответствующий наблюдениям и экспериментам, который может дать вам достаточный избыток вещества над антивеществом.

Существует три основных возможности возникновения этого избытка вещества над антивеществом:

У этих сценариев есть общие элементы, поэтому давайте рассмотрим последний из них, просто ради примера, чтобы понять, что могло произойти.

Если теория великого объединения верна, должны быть новые, сверхтяжелые частицы, называемы X и Y, которые обладают как барионоподобными, так и лептоноподобными свойствами. Также должны быть их партнеры из антиматерии: анти-X и анти-Y, с противоположными числами B — L и противоположными зарядами, но с одной массой и временем жизни. Эти пары частица-античастица могут быть созданы в большом количестве при достаточно высоких энергиях, чтобы впоследствии распасться.

Итак, мы наполняем Вселенную ими, а затем они распадаются. Если же у нас есть C- и CP-нарушения, возможно, будут небольшие различия в том, как распадаются частицы и античастицы (X, Y и анти-X, anti-Y).

Если у X-частицы есть два пути: распад на два верхних кварка или на два анти-нижних кварка и позитрон, тогда anti-X должен пройти два соответствующих пути: два анти-верхних кварка или нижний кварк и электрон. Есть важное различие, которое допускается при нарушении C- и CP: X может с большей вероятностью распасться на два верхних кварка, чем анти-X — на два анти-верхних кварка, тогда как анти-X с большей вероятностью распадется на нижний кварк и электрон, чем X — на анти-верхний кварк и позитрон.

При наличии достаточного числа пар и распада таким образом, вы сможете легко получить избыток барионов над антибарионами (и лептонов над антилептонами), где его раньше не было.

Это лишь один пример, иллюстрирующий наше представление о том, что произошло. Мы начали с полностью симметричной Вселенной, подчиняющейся всем известным законам физики, и с горячего, плотного, богатого состояния, наполненного материей и антиматерией в равных количествах. С помощью механизма, который нам еще предстоит определить, подчиняющийся трем условиям Сахарова, эти естественные процессы в конечном итоге создали избыток вещества над антивеществом.

Тот факт, что мы существуем и состоит из материи, неоспорим; вопрос в том, почему наша Вселенная содержит что-то (материю), а не ничего (ведь вещества и антивещества было поровну). Возможно, в этом столетии мы найдем ответ на этот вопрос.