[Перевод] Спросите Итана №31: почему мы сделаны из материи?

Если в начале существования Вселенной в ней было одинаковое количество материи и антиматерии, почему в сегодняшнем космосе материя доминирует?

Вы можете не чувствовать себя очень мощным, но если вы — взрослый человек среднего размера, в вашем скромном теле содержится не меньше 7 × 10¹⁸ Дж потенциальной энергии — её было бы достаточно, чтобы вы могли взроваться с мощностью тридцати очень больших водородных бомб, если бы вы знали, как освободить её и если бы вам это было очень нужно.
— Билл Брайсон

В конце недели я выбираю лучший из ваших вопросов для колонки “спросите Итана”, и на этой неделе честь предоставляется Джастину Старру, который спрашивает:

Насколько я понимаю, в зарождавшейся Вселенной были равные части материи и антиматерии, в результате чего происходила серьёзная аннигиляция. И как же материя в результате победила?

Джастин спрашивает об одной из величайших нерешённых загадок Вселенной.

Подумайте об этих двух вроде бы противоречащих друг другу фактах:

а) создание пары; б) аннигиляция

1) Ни одно из наблюдавшихся нами взаимодействий частиц с любым уровнем энергии не создало и не уничтожило единственную частицу материи без того, чтобы создать или уничтожать равное количество частиц антиматерии. Физическая симметрия между материей и антиматерией ещё более строгая:

• каждый раз, создавая кварк, мы создаём и антикварк
• каждый раз при уничтожении кварка уничтожается и антикварк
• каждый раз, создавая или уничтожая лептон, мы создаём или уничтожаем антилептон того же семейства, и
• каждый раз, когда кварк или лептон испытывает взаимодействие, столкновение или распад, общее количество кварков и лептонов по окончанию реакции (кварки минус антикварки, лептоны минус антилептоны) остаётся таким же, какое было в начале

Единственным способом прибавить или убавить материю во Вселенной является способ, убавляющий или прибавляющий антиматерию в тех же количествах. Но есть и второй факт:

2) Когда мы изучаем Вселенную, звёзды, галактики, газовые облака, кластеры, суперкластеры, структуры наибольших масштабов — всё выглядит созданным из материи, а не из антиматерии. Каждый раз, когда материя и антиматерия во Вселенной встречаются, происходит невероятный выброс энергии из-за аннигиляции частиц.

В некоторых местах мы наблюдаем эту аннигиляцию, но только около гиперэнергетических источников, вырабатывающих материю и антиматерию в равных количествах. Когда во Вселенной антиматерия сталкивается с материей, она производит гамма-излучение очень специфических частот, которое мы можем обнаружить.

Но если мы посмотрим на пространство между звёздами и между галктиками, даже на больших масштабах, мы обнаружим, что там полно материала, даже если там нет никаких звёзд. Космос велик, и плотность материи мала, поэтому можно задаться вопросом — если швырнуть одну частицу антиматерии (допустим, анти-протон), как долго она в среднем продержится, прежде чем врежется в частицу материи и аннигилирует.

В межзвёздном пространстве нашей галактики среднее время существования частицы составило бы 300 лет, что очень мало по сравнению с возрастом галактики. Это ограничение говорит о том, что по крайней мере внутри Млечного пути количество антиматерии, которая может разместиться среди материи, составляет одну часть на 10¹⁵!..

На больших маштабах, порядка галактик и галактических кластеров, ограничения не такие сильные, но всё же достаточно серьёзные. Наблюдая пространство на расстояниях от нескольких маллионов лет до трёх миллиардов лет, мы обнаружили дефицит рентгеновских и гамма-лучей, которые должны возникать от аннигиляции материи и антиматерии. Мы видим, что даже на космических масштабах, 99,999% всего, что существует, состоит из материи, как мы, а не из антиматерии.

И это лишь нижняя оценка уровеня доминирования материи над антиматерией во Вселенной, по данным наблюдений.

Итак, с одной стороны у нас есть результаты экспериментов, демонстрирующие невозможность создания и уничтожения материи без сопутствующего уничтожения и создания того же количества антиматерии, а с другой — у нас есть Вселенная, которая, насколько мы можем судить, состоит из почти 100% материи, и почти 0% антиматерии. Что за дела?

Если мы хотим понять, как это произошло, нам надо вернуться к самым истокам Вселенной, к моменту сразу после окончания инфляции и Большого врыва: ко времени, когда Вселенная была горячей, плотной и полной материи, антиматерии и излучения.

На ранних этапах существования Вселенной всё было горячим и плотным. Та её часть, что сейчас составляет наблюдаемую часть Вселенной, состояла из 10⁹⁰ частиц материи, антиматерии и излучения, при этом количество материи и антиматерии было одинаковым. Энергии было столько, что при любом столкновении частиц они могли спонтанно породить одинаковое количество материи и антиматерии, а когда сталкивались материя и антиматерия, они превращались в излучение. И это происходило постоянно и повсеместно.

Если бы Вселенная могла только создавать пары материи и антиматерии, чтобы они снова аннигилировали, наша Вселенная сегодня выглядела бы совсем по-другому. Теоретически, если бы не сущствовало симметрии материи и антиматерии, с охлаждением и расширением Вселенной мы бы дошли до момента, когда стало бы невозможно создать новую частицу. Существующие пары материи и антиматерии аннигилировали бы, пока космос не стал бы таким разерженным, что цастицы не смогли бы находить друг друга, и у нас бы получилась Вселенная, наполненная фотонами и небольшим количеством материи и антмиаетри.

Как много бы их осталось? Насколько мы знаем, примерно по 10⁷⁰ частиц материи и антиматерии, а фотонов было бы в 10²⁰ раз больше, чем протонов. То есть, на каждый протон приходилось бы 100 000 000 000 000 000 000 фотонов, а антипротонов было бы столько же, сколько протонов.

Но мы можем измерить отношение количества фотонов к протонам.

По вертикали: количество элементов относительно водорода; по горизонтали: плотность обычной материи относительно протонов

Вовсе не такая страшная асимметрия. Конечно, фотонов во много-много раз больше, чем протонов, но соотношение больше похоже на пару миллиардов к одному (и почти без антиматерии), что говорит о каком-то происшествии в ранней Вселенной, создавшем фундаментальную асимметрию материи и антиматерии. Насколько мы можем видеть, асимметрия случилась повсеместно и с одинаковой мощностью.

Если вы хотите узнать, как именно это произошло — добро пожаловать в клуб. Это проблема бариогенезиса, и это одна из величайших нерешённых задач фундаментальной физики. Но только из того, что мы не знаем точно, как это могло случиться, не следует, что у нас нет достойной общей идеи того, как это произошло. Конкретно Андрей Сахаров показал, что если будут удовлетворены три условия, то можно создать асимметрию материи и антиматерии из изначально симметричного состояния:

• неравновесные условия
• нарушение С- и СР-симметрии
• взаимодействия с нарушением закона сохранения барионных чисел

Вот и всё. Всего три вещи. И насколько мы знаем, во Вселенной все они должны быть.

Неравновесные условия. Это просто. Если у вас есть большая, горячая, расширяющаяся и остывающая Вселенная, управляемая законами ОТО и квантовой теорией поля, поздравляю: ваши условия неравновесны. Равновесие — это когда все частицы в системе имеют возможность сообщаться друг с другом, или обмениваться информацией. Но в расширяющейся остывающей Вселенной частицы с однго края не имеют причинно-следственных связей с частицами с другого. В очень ранней Вселенной было 10⁵⁰ несвязанных регионов, где даже свету не хватило бы времени, чтобы пройти из одного региона в другой.

Ранняя Вселенная не только была в неравновесном состоянии, вам бы вообще было очень сложно сконструировать систему, которая находилась бы в менее равновесном состоянии.

Чётность элементарных частиц определяется направлением, в котором они испускают частицы распада. Мюон обычно испускает электрон вправо. При обратной чётности мюон должен испускать электрон влево. Один раз из тысячи анти-мюон распадается вправо, что нарушает СР-симметрию

Нарушение С- и СР-симметрии. С-преобразование или зарядовое сопряжение (операция замены частицы на соответствующую античастицу), а P — чётность (зеркальное отражение всего). Грубо говоря, C и P сохраняются, если вы фиксируете каждую из этих симметрий, и при этом законы физики сохраняются; а CP-симметрия сохраняется, если вы одновременно фиксируете обе симметрии, и все законы физики остаются неизменными.

В нашей Вселенной гравитационные, электромагнитные и сильные взаимодействия сохраняют С, Р и СР. Но слабые нарушают их! Конкретно, распад мезонов, содержащих странные кварки и прелестные кварки, сильно нарушает C, P и CP, то есть существуют фундаментальные различия в поведении частиц и их античастиц. Два условия из трёх есть.

И, наконец…

Внуки-протончики и дедушка-протон:
— Дедушка, расскажи нам про большую войну, в которой ты участвовал!
— Садитесь, детишки, это долгая история. Сегодня её называют бариогенезис, а мы зовём её Адом. Она началась почти четырнадцать миллиардов лет назад. Вскоре после Большого взрыва молодая Вселенная охладилась настолько, чтобы появились частицы. Сначала появились лептоны. Они выжили в своей войне-лептоногенезисе. За эти наносекунды барионы и анти-барионы сформировались в равных количествах…
Продолжение следует…

Взаимодействия с нарушением закона сохранения барионных чисел. Это вещь сложная, поскольку мы никогда не наблюдали создания кварка без антикварка (а барион — это любая частица, состоящая из трёх кварков, вроде протона или нейтрона. Кварки существуют в природе только в связанных состояниях!). Но если мы посмотрим на Стандартную модель, мы заключим, что она должна содержать взаимодействия подобного типа.

А сейчас я собираюсь показать вам уравнения поля, управляющие Стандартной моделью физики элементарных частиц (о деталях не беспокойтесь).

Важно здесь то, что у этого уравнения есть математическая “аномалия”, необходимая для определённого количества распада частиц — например, для распада нейтрального пиона — и также разрешающая нарушение закон сохранения барионного числа. Причем она позволяет происходить нарушениям закона сохранения как барионных (например, протон) так и лептонных (например, электрон) чисел, но они должны быть нарушены вместе, то есть во Вселенной должно быть постоянное общее количество барионов и лептонов! Это очень удачно объясняет, почему протонов и электронов существует равное количество, и, следовательно, почему Вселенная, где существуют и протоны, и электроны, электрически нейтральна.

Конечно, главный вопрос возникает, когда мы начинаем вести расчёты. Если мы примем во внимание

как сильно Вселенная неравновесна
количество наблюдаемых нарушений С- и СР-симметрий
как сильно Стандартная модель нарушает закон сохранения барионных чисел

получим ли мы достаточно сильное нарушение закона сохранения барионных чисел?

Насколько нам известно сегодня, нет, не совсем. Пока что существует расхождение на десять порядков. Конечно, в Стандартной модели на более высоких энергетических уровнях может существовать гораздо больше нарушающих СР-симметрию взаимодействий, которые мы пока не успели открыть, но чаще всего предполагают, что существует физика за пределами Стандартной модели, позволяющая происходить большему количеству нарушений СР-симметрии или закона сохранения барионных чисел.

Возможности включают, но не ограничиваются, следующими вариантами:

• механизм Аффлека-Дайна, основанный на суперсимметрии
• дополнения Стандартной модели на электрослабых масштабах
• лептогенезис, при котором создаётся фундаментальная ассиметрия лептонов (возможно, из новой физки нейтрино), а из него уже возникает ассиметрия барионов
• бариогенезис масштабов Теории великого объединения, где новая физика масштабов электрослабого объединения с сильным взаимодействием позволяет нам создавать больше материи, чем антиматерии

Скорее всего, смысл этих слов вам неясен, поэтому давайте я для примера расскажу вам о возможности, связанной с Тоерией великого объединения. Учтите, что, скорее всего, происходит этот совсем не так, и описываемый сценарий используется только для иллюстрации.

Представим себе раннюю Вселенную, заполненную излучением и разными частицами и античастицами, последние из которых существуют в равных количествах. Некоторые — это кварки и антикварки, некоторые — лептоны и антилептоны, некоторые — бозоны (и их античастицы, где это применимо; многие бозоны являются античастицами сами для себя), и т.п.

Представим, что существует новый вид заряженных частиц, спаривающийся и с кварками, и с лептонами. Назовём их Q-частицами.

Изначально — так же, как в случае частиц материи и антиматерии — они создаются в горячей, ранней Вселенной парами. Иногда Q+, версия частицы из материи, находит Q-, версию из антиматерии, и они аннигилируют, а иногда и другие частицы сталкиваются с энергией, достаточной для создания пар Q+/Q-.

Так всё это и происходит (в течение небольшой доли секунды), а затем Вселенная остывает. Внезапно перестают появляться новые пары Q+/Q-, а после того, как часть пар Q+/Q- аннигилируют и превратятся в излучение, оставшиеся нестабильные частицы распадутся.

По законам физики элементарных частиц (даже допуская расширения Стандартной модели), должны сохраняться некоторые симметрии. У частиц Q+ и Q- должны быть одинаковые:

• время жизни
• пути распада
• заряд, масса и число “барионы минус лептоны”

В этом примере у частиц Q+ и Q- одинаковое среднее время жизни, число “барионы минус лептоны” равно нулю, и хотя Q+ может распадаться на протон и нейтрино, или на анти-нейтрон и анти-электрон, Q- может распадаться на антипротон и антинейтрино, или на нейтрон и электрон. Эти процессы нарушают закон сохранения барионных чисел и лептонных чисел, но не “барионы минус лептоны”. Такой вариат развития событий и возможен и разумен, но не создаст барионную асимметрию, если мы не введём нарушение СР-симметрии.

Без этого нарушения то, что называется отношением ветвления, или пропорциями, в которых Q+ и Q- распадаются по кажодму из путей, будут одинаковыми. Если 60% Q+ распалось на протоны и нейтроны, тогда 60% Q- распадётся на антипротоны и антинейтрино. Другим путём может быть 40% как для Q+, так и для Q-, что тоже сохраняет СР-симметрию.

Но если разрешить её нарушение, отношения ветвления на частицы и античастицы могут получаться разными! Пока общие пропорции распада для Q+ и Q- одинаковы, законы физики позволяют такое поведение. Давайте введём нарушение СР-симметрии.

Маленькое различие: Q+ опять распадается, как раньше, но Q- теперь больше распадается на нейтроны и электроны, и меньше — на антипротоны и антинейтрино!

Когда все частицы Q+ и Q- распадутся (проигнорируем для простотоы лептоны), что мы получим?

Кучку протонов, нейтронов, антипротонов и антинейтронов. Со временем антипротоны и протоны встретятся и аннигилируют, как и нейтроны и антинейтроны. Но из-за асимметрии распада частиц Q+ и Q-, протонов появилось больше, чам антипротонов, а нейтронов — чем антинейтронов.

После аннигиляции всех пар частиц/античастиц, остаётся барионная асимметрия. Если мы проследим за лептонной асимметрией, мы обнаружим, что электронов получилось ровно столько же, сколько протонов, а количество нейтрино превосходит количество антинейтрино ровно на количество нейтронов.

И хотя это, вероятно, не точное описание механизма бариогенезиса, что-то похожее скорее всего произошло, и создало нашу сегодняшнюю Вселенную!

Эти три условия Сахарова:

• неравновесные условия
• нарушение С- и СР-симметрии
• взаимодействия с нарушением закона сохранения барионных чисел

однозначно существуют во Вселенной, и единственный вопрос, на который осталось ответить: “как возникла такая асимметрия материи и антиматерии, которую мы сегодня наблюдаем?”. Данный мною ответ отражает наши сегодняшния представления, и я не стыжусь того, что он не полный. Но из всех великих загадок на тему “откуда всё взялось, эту, скорее всего, мы сможем решить ещё при моей жизни.

Спасибо за отличный вопрос, Джастин, и надеюсь, что ты получил удовольствие. Если у вас есть вопросы, задавайте их мне, и вы можете появиться в следующей статье.