Почему наша вселенная кружится с большим количеством материи, чем ее причудливый аналог антивещества, и почему мы вообще существуем, – это одна из самых загадочных загадок современной физики.
Каким-то образом, когда вселенная была невероятно молода, почти все антивещества исчезли, оставив только обычные вещи. Теоретики долго преследовали неуловимое объяснение, и, что более важно, способ проверить это объяснение с помощью экспериментов. Теперь ученые предположили, что трио частиц, называемых бозонами Хиггса, может быть ответственным за таинственный исчезающий акт антивещества во вселенной.
Дело о пропавшем антивеществе
Почти в каждом отдельном взаимодействии между субатомными частицами, антивещество (идентичное нормальному веществу, но с противоположным зарядом) и нормальное вещество производятся в равной мере. Кажется, это фундаментальная симметрия вселенной.
И все же, когда мы смотрим на ту же самую вселенную, мы почти не видим никакой антивещества. Физики могут сказать, что на каждую частицу антиматерии, которая все еще висит, существует около миллиарда частиц нормальной материи по всему космосу.
Эта загадка называется многими именами – такими, как проблема асимметрии вещества и проблема барионной асимметрии. Независимо от имени, это поставило в тупик физиков. На сегодняшний день никто не смог дать последовательного объяснения доминирования материи над антивеществом, и поскольку физикам приходится объяснять, как работает природа, проблема начинает их раздражать.
Виноват Хиггс
При высоких энергиях (как внутри коллайдера частиц) электромагнитная сила и слабая ядерная сила объединяются, образуя новую силу: электрослабую. Однако, когда вещи остывают и возвращаются к нормальной повседневной энергии, электрослабое расщепляется на знакомые две силы.
При еще более высоких энергиях, подобных тем, которые были обнаружены в первые моменты Большого взрыва, мы думаем, что сильная ядерная сила сливается с электрослабым, а при еще более высоких энергиях гравитация объединяет партию в единую объединенную силу. Но мы еще не выяснили, как гравитация влияет на игру.
Физики совершенно уверены, что раскол материи и антивещества произошел до того, как все 4 силы природы встали на свои места. Это потому, что у нас есть достаточно четкое понимание физики вселенной после разделения, и добавление слишком большого количества антивещества в более поздние эпохи нарушает наблюдения космического микроволнового фона.
Таким образом, возможно, бозон Хиггса играет роль. Но он сам по себе не может этого сделать – нет никакого известного механизма, использующего только хиггсон, чтобы вызвать дисбаланс между веществом и антивеществом. К счастью, история Хиггса не закончена. Физики обнаружили один бозон Хиггса в экспериментах на коллайдере с массой около 125 миллиардов электрон-вольт, или ГэВ. Для сравнения, протон весит около 1 ГэВ.
Хиггсон может быть не одинок
Вполне возможно, что вокруг будет больше бозонов Хиггса, которые будут более массивными, чем те, что мы можем обнаружить в экспериментах. В настоящее время эти более здоровенные хиггсоны, если они существуют, мало что сделают, фактически не участвуя в какой-либо физике, к которой мы можем получить доступ с помощью наших коллайдеров – у нас просто не хватает энергии, чтобы активировать их.
Но в первые дни существования Вселенной, когда энергии были намного выше, другие бозоны Хиггса могли быть активированы, и эти хиггсоны могли вызвать дисбаланс в некоторых взаимодействиях фундаментальных частиц, что привело к современной асимметрии между веществом и антивеществом.
Разгадывая тайну
Недавно физики предложили интересное потенциальное решение: возможно, три бозона Хиггса (названные «тройкой Хиггса») резвились в ранней вселенной, создавая поток нормальной материи. Когда материя касается антивещества, два из трех уничтожаются и исчезают. И поэтому большая часть этого потока вещества уничтожит антивещество, почти полностью поглотив его в потоке радиации. В этом сценарии было бы достаточно нормального вещества, чтобы привести к современной вселенной, которую мы знаем.
Чтобы сделать это, теоретики предлагают, чтобы трио включало одну известную хиггсовскую частицу и двух новичков, причем каждый из этих дуэтов имел бы массу около 1000 ГэВ. Это число является чисто произвольным, но оно было специально выбрано, чтобы сделать этот гипотетический Хиггс потенциально обнаруживаемым, с помощью следующего поколения коллайдеров частиц. Нет смысла предсказывать существование частицы, которую никогда не обнаружить.
Но тогда у физиков есть проблема. Какой бы механизм ни вызывал асимметрию, это должно дать материи преимущество над антивеществом в миллиардном соотношении. И у него есть очень короткое время в ранней вселенной, чтобы делать свое дело. Как только силы раскололись, игра окончена, и физика, как мы знаем, заблокирована. И этот механизм, включая два новых Хиггса, должен быть тестируемым.
Кратко: они смогли это сделать. Понятно, что это очень сложный процесс, но всеобъемлющая (и теоретическая) история выглядит следующим образом: два новых Хиггса распадаются на потоки частиц с немного разными скоростями и с разными предпочтениями вещества, по сравнению с антивеществом.
Эти различия накапливаются со временем, и когда электрослабая сила распадается, достаточно различий в популяции частиц вещества-антивещества, «встроенных» во вселенную, чтобы нормальная материя в конечном итоге доминировала над антивеществом.
Конечно, это решает проблему асимметрии барионов, но сразу же приводит к вопросу о том, что природа делает с таким количеством бозонов Хиггса. Но мы узнаем все, шаг за шагом.
Понравилась статья? Жмите «лайк» и подписывайтесь на канал.
Читайте дальше:
Ученые привлекли искусственный интеллект для реконструкции древних игр
Загадка палеонтологов: почему окаменелости обычно мужские?
Все публикации канала можно посмотреть здесь.
