Είναι ένας από τους μεγαλύτερους γρίφους στη φυσική. Όλα τα σωματίδια που απαρτίζουν την ύλη γύρω μας, όπως ηλεκτρόνια και πρωτόνια, έχουν εκδόσεις αντιύλης που είναι σχεδόν πανομοιότυπες, αλλά με κατοπτρικές ιδιότητες όπως το αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Όταν μια αντιύλη και ένα σωματίδιο ύλης συναντιούνται, εξαφανίζονται με μια λάμψη ενέργειας.
Εάν η αντιύλη και η ύλη είναι πραγματικά πανομοιότυπες αλλά αντικατοπτρίζονται μεταξύ τους, θα έπρεπε να έχουν παραχθεί σε ίσες ποσότητες στο Big Bang.
Το πρόβλημα είναι ότι θα τα έκανε όλα να εξαφανιστούν. Αλλά σήμερα, δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου αντιύλη στο σύμπαν - εμφανίζεται μόνο σε ορισμένες ραδιενεργές αποσυνθέσεις και σε ένα μικρό κλάσμα κοσμικών ακτίνων. Τι συνέβη λοιπόν; Χρησιμοποιώντας το πείραμα LHCb στο CERN για να μελετήσουν τη διαφορά μεταξύ ύλης και αντιύλης, ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο που μπορεί να εμφανιστεί αυτή η διαφορά.
Η ύπαρξη της αντιύλης προβλέφθηκε από την εξίσωση του φυσικού Paul Dirac που περιέγραψε την κίνηση των ηλεκτρονίων το 1928. Αρχικά, δεν ήταν σαφές εάν αυτό ήταν απλώς ένα μαθηματικό quirk ή μια περιγραφή ενός πραγματικού σωματιδίου. Αλλά το 1932, ο Carl Anderson ανακάλυψε έναν αντιύλη συνεργάτη στο ηλεκτρόνιο - το ποζιτρόνιο - ενώ μελετούσε κοσμικές ακτίνες που διαχέονται στη Γη από το διάστημα. Τις επόμενες δεκαετίες οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι όλα τα σωματίδια της ύλης έχουν αντιύλη.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι στην πολύ καυτή και πυκνή κατάσταση λίγο μετά το Big Bang, πρέπει να υπήρχαν διαδικασίες που έδιναν προτεραιότητα στην ύλη έναντι της αντιύλης. Αυτό δημιούργησε ένα μικρό πλεόνασμα ύλης, και καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, όλη η αντιύλη καταστράφηκε, ή εξοντώθηκε, με ίση ποσότητα ύλης, αφήνοντας ένα μικρό πλεόνασμα ύλης. Και αυτό το πλεόνασμα αποτελεί ό, τι βλέπουμε στο σύμπαν σήμερα.
Ακριβώς ποιες διεργασίες προκάλεσαν το πλεόνασμα είναι ασαφής και οι φυσικοί είναι επιφυλακτικοί εδώ και δεκαετίες.
Γνωστή ασυμμετρία
Η συμπεριφορά των κουάρκ, τα οποία είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης μαζί με τα λεπτόνια, μπορεί να ρίξει φως στη διαφορά μεταξύ ύλης και αντιύλης. Τα κουάρκ έρχονται σε πολλά διαφορετικά είδη ή «γεύσεις», γνωστά ως πάνω, κάτω, γοητευτικά, παράξενα, κάτω και πάνω συν έξι αντίστοιχα αντι-κουάρκ.
Τα πάνω και κάτω κουάρκ είναι αυτά που απαρτίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια στους πυρήνες της συνηθισμένης ύλης και τα άλλα κουάρκ μπορούν να παραχθούν με διεργασίες υψηλής ενέργειας - για παράδειγμα συγκρούοντας σωματίδια σε επιταχυντές όπως το Large Hadron Collider στο CERN.
Τα σωματίδια που αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ ονομάζονται μεσόνια, και υπάρχουν τέσσερα ουδέτερα μεσόνια (B 0 S , B 0 , D 0 και K 0 ) που παρουσιάζουν μια συναρπαστική συμπεριφορά. Μπορούν να μετατραπούν αυθόρμητα στον αντι-σωματιδιακό συνεργάτη τους και μετά να επιστρέψουν ξανά, ένα φαινόμενο που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1960. Δεδομένου ότι είναι ασταθή, θα «αποσυντεθούν» - καταρρέουν - σε άλλα πιο σταθερά σωματίδια κάποια στιγμή κατά τη διάρκεια της ταλάντωσης. Αυτή η αποσύνθεση συμβαίνει ελαφρώς διαφορετικά για τα μεσόνια σε σύγκριση με τα αντι-μεσόνια , που σε συνδυασμό με την ταλάντωση σημαίνει ότι ο ρυθμός της αποσύνθεσης ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου.
Οι κανόνες για τις ταλαντώσεις και τις αποσυνθέσεις δίνονται από ένα θεωρητικό πλαίσιο που ονομάζεται μηχανισμός Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) . Προβλέπει ότι υπάρχει διαφορά στη συμπεριφορά της ύλης και της αντιύλης, αλλά πολύ μικρή για να δημιούργησε το πλεόνασμα της ύλης στο πρώιμο σύμπαν που απαιτείται για να εξηγήσει την αφθονία που βλέπουμε σήμερα.
Αυτό δείχνει ότι υπάρχει κάτι που δεν καταλαβαίνουμε και ότι η μελέτη αυτού του θέματος μπορεί να προκαλέσει ορισμένες από τις πιο θεμελιώδεις θεωρίες μας στη φυσική.
Νέα φυσική;
Το πρόσφατο αποτέλεσμα από το πείραμα LHCb είναι μια μελέτη ουδέτερων μεσονίων B 0 S , εξετάζοντας τις αποσυνθέσεις τους σε ζεύγη φορτισμένων Κ. Μεσονίων. Τα μεσόνια B 0 S δημιουργήθηκαν συγκρούοντας πρωτόνια με άλλα πρωτόνια στο Large Hadron Collider, όπου ταλαντώθηκαν στο αντι-μεσόνιο τους και επέστρεψαν τρεις τρισεκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο. Οι συγκρούσεις δημιούργησαν επίσης αντι-Β 0 S μεσόνια που ταλαντεύονται με τον ίδιο τρόπο, δίνοντάς μας δείγματα μεσονίων και αντι-μεσονίων που θα μπορούσαν να συγκριθούν.
Μετρήσαμε τον αριθμό των αποσυνθέσεων από τα δύο δείγματα και συγκρίναμε τους δύο αριθμούς, για να δούμε πώς αυτή η διαφορά διέφερε καθώς προχωρούσε η ταλάντωση. Υπήρξε μια μικρή διαφορά - με περισσότερες αποσυνθέσεις να συμβαίνουν για ένα από τα μεσόνια B 0 S. Και για πρώτη φορά για τα μεσόνια B 0 S , παρατηρήσαμε ότι η διαφορά στην αποσύνθεση ή ασυμμετρία, ποικίλλει ανάλογα με την ταλάντωση μεταξύ του μεσόνιου B 0 S και του αντι-μεσονίου.
Εκτός από το ορόσημο στη μελέτη των διαφορών ύλης-αντιύλης, είχαμε επίσης τη δυνατότητα να μετρήσουμε το μέγεθος των ασυμμετριών. Αυτό μπορεί να μεταφραστεί σε μετρήσεις διαφόρων παραμέτρων της υποκείμενης θεωρίας. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων με άλλες μετρήσεις παρέχει έλεγχο συνέπειας, για να διαπιστωθεί αν η θεωρία που είναι αποδεκτή επί του παρόντος είναι σωστή περιγραφή της φύσης. Δεδομένου ότι η μικρή προτίμηση της ύλης έναντι της αντιύλης που παρατηρούμε στη μικροσκοπική κλίμακα δεν μπορεί να εξηγήσει τη συντριπτική αφθονία της ύλης που παρατηρούμε στο σύμπαν, είναι πιθανό ότι η τρέχουσα κατανόησή μας είναι μια προσέγγιση μιας πιο θεμελιώδους θεωρίας.
Η διερεύνηση αυτού του μηχανισμού που γνωρίζουμε ότι μπορεί να δημιουργήσει ασυμμετρίες ύλης-αντιύλης, διερευνώντας τον από διαφορετικές οπτικές γωνίες, μπορεί να μας πει πού βρίσκεται το πρόβλημα. Η μελέτη του κόσμου στη μικρότερη κλίμακα είναι η καλύτερη μας ευκαιρία να καταλάβουμε τι βλέπουμε στη μεγαλύτερη κλίμακα.
Lars Eklund , Καθηγητής Φυσικής Σωματιδίων, Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης | Διαβάστε το πρωτότυπο άρθρο