Der kollidierende Galaxienhaufen „El Gordo“, der größte im beobachtbaren Universum bekannte, zeigt die gleichen Hinweise auf dunkle Materie und normale Materie wie andere kollidierende Haufen. In dieser oder an der Grenzfläche bekannter Galaxien oder Galaxienhaufen ist praktisch kein Platz für Antimaterie, was die mögliche Präsenz in unserem Universum stark einschränkt. (NASA, ESA, J. JEE (UNIV. VON KALIFORNIEN, DAVIS), J. HUGHES (RUTGERS UNIV.), F. MENANTEAU (RUTGERS UNIV. & UNIV. VON ILLINOIS, URBANA-CHAMPAIGN), C. SIFON (LEIDEN OBS .), R. MANDELBUM (CARNEGIE MELLON UNIV.), L. BARRIENTOS (UNIV. CATOLICA DE CHILE) UND K. NG (UNIV. VON KALIFORNIEN, DAVIS))

Es gibt fast keine Antimaterie im Universum und niemand weiß warum

Das Universum ist mit etwas gefüllt, im Gegensatz zu nichts, und Wissenschaftler verstehen es nicht.

Wenn wir uns im Universum umschauen:

  • an den Planeten und Sternen,
  • an den Galaxien und Galaxienhaufen,
  • und an dem Gas, Staub und Plasma, die den Raum zwischen diesen dichten Strukturen bevölkern,

wir finden überall die gleichen Unterschriften. Wir sehen atomare Absorptions- und Emissionslinien, wir sehen Materie, die mit anderen Formen von Materie interagiert, wir sehen Sternentstehung und Sterntod, Kollisionen, Röntgenstrahlen und vieles mehr. Es gibt eine offensichtliche Frage, die nach einer Erklärung verlangt: Warum gibt es all dieses Zeug und überhaupt nichts? Wenn die Gesetze der Physik zwischen Materie und Antimaterie symmetrisch sind, sollte das Universum, das wir heute sehen, unmöglich sein. Doch hier sind wir und niemand weiß warum.

Auf allen Ebenen des Universums, von unserer lokalen Nachbarschaft über das interstellare Medium bis hin zu einzelnen Galaxien, Clustern, Filamenten und dem großen kosmischen Netz, scheint alles, was wir beobachten, aus normaler Materie und nicht aus Antimaterie zu bestehen. Dies ist ein ungeklärtes Rätsel. (NASA, ESA UND DAS HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA))

Denken Sie an diese beiden scheinbar widersprüchlichen Tatsachen:

1.) Jede Wechselwirkung zwischen Teilchen, die wir jemals bei allen Energien beobachtet haben, hat niemals ein einzelnes Materieteilchen erzeugt oder zerstört, ohne auch eine gleiche Anzahl von Antimaterieteilchen zu erzeugen oder zu zerstören. Die physikalische Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie ist noch strenger:

  • Jedes Mal, wenn wir einen Quark oder Lepton erstellen, erstellen wir auch einen Antiquark oder ein Antilepton.
  • Jedes Mal, wenn ein Quark oder Lepton zerstört wird, wird auch ein Antiquark oder Antilepton zerstört.
  • Die erzeugten oder zerstörten Leptonen und Antileptonen müssen über jede Leptonfamilie hinweg ausgeglichen sein
  • Jedes Mal, wenn ein Quark oder Lepton eine Wechselwirkung, Kollision oder Zerfall erfährt, ist die Gesamtzahl der Quarks und Leptonen am Ende der Reaktion (Quarks minus Antiquarks, Leptonen minus Antileptonen) am Ende dieselbe wie am Anfang.

Die einzige Möglichkeit, die Menge an Materie im Universum jemals zu verändern, bestand darin, auch die Antimaterie des Universums um den gleichen Betrag zu verändern.

Die Erzeugung von Materie / Antimaterie-Paaren (links) aus reiner Energie ist eine vollständig reversible Reaktion (rechts), bei der Materie / Antimaterie wieder zu reiner Energie vernichtet wird. Wenn ein Photon erzeugt und dann zerstört wird, erfährt es diese Ereignisse gleichzeitig, während es überhaupt nicht in der Lage ist, etwas anderes zu erfahren. (DMITRI POGOSYAN / UNIVERSITÄT ALBERTA)

Und doch gibt es diese zweite Tatsache:

2.) Wenn wir auf das Universum schauen, auf alle Sterne, Galaxien, Gaswolken, Cluster, Supercluster und Strukturen im größten Maßstab überall, scheint alles aus Materie und nicht aus Antimaterie zu bestehen. Wann und wo immer sich Antimaterie und Materie im Universum treffen, gibt es einen fantastischen Energieausbruch aufgrund der Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung.

Aber wir sehen keine Signaturen von Materie, die auf den größten Skalen mit Antimaterie vernichtet wird. Wir sehen keine Beweise dafür, dass einige der Sterne, Galaxien oder Planeten, die wir beobachtet haben, aus Antimaterie bestehen. Wir sehen nicht die charakteristischen Gammastrahlen, die wir erwarten würden, wenn einige Antimaterieteile mit den Materieteilen kollidieren (und vernichten). Stattdessen ist es Materie, Materie überall, in der gleichen Fülle, wo immer wir hinschauen.

Der Materie- und Energiegehalt im Universum zur Zeit (links) und zu früheren Zeiten (rechts). Beachten Sie das Vorhandensein von dunkler Energie, dunkler Materie und die Prävalenz normaler Materie gegenüber Antimaterie, die so klein ist, dass sie zu keinem der angegebenen Zeiten einen Beitrag leistet. (NASA, GEÄNDERT VON WIKIMEDIA COMMONS USER 老陳, WEITER GEÄNDERT VON E. SIEGEL)

Es scheint eine Unmöglichkeit zu sein. Einerseits ist angesichts der Teilchen und ihrer Wechselwirkungen im Universum kein Weg bekannt, mehr Materie als Antimaterie herzustellen. Andererseits besteht alles, was wir sehen, definitiv aus Materie und nicht aus Antimaterie.

Wir haben tatsächlich die Vernichtung von Materie und Antimaterie in einigen extremen astrophysikalischen Umgebungen beobachtet, jedoch nur in der Nähe von hyperenergetischen Quellen, die Materie und Antimaterie in gleichen Mengen produzieren, wie beispielsweise massiven Schwarzen Löchern. Wenn die Antimaterie im Universum auf Materie trifft, erzeugt sie Gammastrahlen mit sehr spezifischen Frequenzen, die wir dann erfassen können. Das interstellare und intergalaktische Medium ist voller Material, und das völlige Fehlen dieser Gammastrahlen ist ein starkes Signal dafür, dass nirgendwo große Mengen an Antimaterieteilchen herumfliegen, da diese Materie / Antimaterie-Signatur auftauchen würde.

Viele Beispiele für Sterne, Nebel, Gas, Staub und andere Formen von Materie können sowohl innerhalb als auch außerhalb der Milchstraße interagieren. In jedem Fall sehen wir viele Hinweise auf Absorption und Emission, aber keine Hinweise darauf, dass ein astrophysikalisches Objekt im Gegensatz zur Materie hauptsächlich aus Antimaterie besteht. (HUBBLE HERITAGE TEAM (AURA / STSCI), CR O'DELL (VANDERBILT), NASA)

Wenn Sie ein einzelnes Antimaterieteilchen in die Mischung unserer Galaxie werfen würden, würde es nur etwa 300 Jahre dauern, bevor es mit einem Materieteilchen vernichtet wird. Diese Einschränkung besagt, dass innerhalb der Milchstraße die Menge an Antimaterie nicht mehr als 1 Teil eines Quadrillions (10¹⁵) im Vergleich zur Gesamtmenge an Materie betragen darf.

Auf größeren Skalen - von Satellitengalaxien, großen Galaxien im Milchstraßenmaßstab und sogar von Galaxienhaufen - sind die Einschränkungen weniger streng, aber immer noch sehr stark. Bei Beobachtungen über Entfernungen von einigen Millionen Lichtjahren bis zu über drei Milliarden Lichtjahren Entfernung haben wir einen Mangel an Röntgen- und Gammastrahlen beobachtet, die wir von der Vernichtung von Materie und Antimaterie erwarten würden. Selbst auf großen kosmologischen Skalen sind 99,999% + dessen, was in unserem Universum existiert, definitiv Materie (wie wir) und keine Antimaterie.

Ob in Clustern, Galaxien, unserer eigenen Sternenumgebung oder unserem Sonnensystem, wir haben enorme, mächtige Grenzen für den Anteil der Antimaterie im Universum. Es kann keinen Zweifel geben: Alles im Universum ist von Materie dominiert. (GARY STEIGMAN, 2008, VIA ARXIV.ORG/ABS/0808.1122)

Wie sind wir heute hierher gekommen, mit einem Universum aus viel Materie und praktisch ohne Antimaterie, wenn die Naturgesetze zwischen Materie und Antimaterie vollständig symmetrisch sind? Nun, es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder wurde das Universum mit mehr Materie als Antimaterie geboren, oder es passierte früh, als das Universum sehr heiß und dicht war, um eine Materie / Antimaterie-Asymmetrie zu erzeugen, bei der es anfangs keine gab.

Diese erste Idee ist wissenschaftlich nicht testbar, ohne das gesamte Universum neu zu erschaffen, aber die zweite ist ziemlich überzeugend. Wenn unser Universum irgendwie eine Materie / Antimaterie-Asymmetrie geschaffen hat, wo es anfangs keine gab, dann sollten die Regeln, die damals gespielt wurden, heute unverändert bleiben. Wenn wir klug genug sind, können wir experimentelle Tests entwickeln, um den Ursprung der Materie in unserem Universum aufzudecken.

Die Partikel und Antiteilchen des Standardmodells befolgen alle Arten von Erhaltungsgesetzen, es gibt jedoch geringfügige Unterschiede zwischen dem Verhalten bestimmter Partikel / Antiteilchen-Paare, die möglicherweise auf den Ursprung der Baryogenese hinweisen. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

In den späten 1960er Jahren identifizierte der Physiker Andrei Sacharow drei Bedingungen, die für die Baryogenese oder die Bildung von mehr Baryonen (Protonen und Neutronen) als Anti-Baryonen notwendig sind. Sie sind wie folgt:

  1. Das Universum muss ein System sein, das nicht im Gleichgewicht ist.
  2. Es muss eine C- und CP-Verletzung aufweisen.
  3. Es muss Wechselwirkungen geben, die die Baryonenzahl verletzen.

Das erste ist einfach, weil ein expandierendes, kühlendes Universum mit instabilen Partikeln (und / oder Antiteilchen) per Definition nicht im Gleichgewicht ist. Die zweite ist ebenfalls einfach, da sowohl die C-Symmetrie (Ersetzen von Partikeln durch Antiteilchen) als auch die CP-Symmetrie (Ersetzen von Partikeln durch spiegelreflektierte Antiteilchen) in vielen schwachen Wechselwirkungen mit seltsamen, charmanten und unteren Quarks verletzt werden.

Ein normales Meson dreht sich gegen den Uhrzeigersinn um seinen Nordpol und zerfällt dann, wobei ein Elektron entlang der Richtung des Nordpols emittiert wird. Durch Anwenden der C-Symmetrie werden die Partikel durch Antiteilchen ersetzt, was bedeutet, dass sich ein Antimeson gegen den Uhrzeigersinn um seinen Nordpolzerfall dreht, indem ein Positron in Nordrichtung emittiert wird. In ähnlicher Weise dreht die P-Symmetrie um, was wir in einem Spiegel sehen. Wenn sich Partikel und Antiteilchen unter C-, P- oder CP-Symmetrien nicht genau gleich verhalten, wird diese Symmetrie als verletzt bezeichnet. Bisher verletzt nur die schwache Interaktion eine der drei. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Das lässt die Frage offen, wie man die Baryonenzahl verletzt. Experimentell haben wir gesehen, dass das Gleichgewicht von Quarks zu Antiquarks und Leptonen zu Antileptonen jeweils explizit erhalten bleibt. Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es jedoch kein explizites Erhaltungsgesetz für eine dieser Größen einzeln.

Es sind drei Quarks erforderlich, um ein Baryon herzustellen. Daher weisen wir für jeweils drei Quarks eine Baryonenzahl (B) von 1 zu. Ebenso hat jedes Lepton eine Leptonzahl (L) von 1. Antiquarks, Antibaryonen und Antileptonen haben alle ein negatives B und L-Nummern entsprechend.

Nach dem Standardmodell bleibt jedoch nur der Unterschied zwischen Baryonen und Leptonen, B - L, erhalten. Unter den richtigen Umständen könnten Sie nicht nur zusätzliche Protonen herstellen, sondern auch die Elektronen, die Sie benötigen, um mit ihnen zu gehen. Diese genauen Umstände mögen unbekannt sein, aber der heiße Urknall gab ihnen die Gelegenheit, sich zu erheben.

Bei den hohen Temperaturen, die im sehr jungen Universum erreicht werden, können nicht nur Partikel und Photonen spontan erzeugt werden, wenn genügend Energie vorhanden ist, sondern auch Antiteilchen und instabile Teilchen, was zu einer ursprünglichen Partikel-Antiteilchen-Suppe führt. Doch selbst unter diesen Bedingungen können nur wenige spezifische Zustände oder Partikel entstehen. (BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)

Die frühesten Stadien des Universums werden durch unglaublich hohe Energien beschrieben: hoch genug, um über Einsteins berühmtes E = mc² jedes bekannte Teilchen und Antiteilchen in großer Menge zu erzeugen. Wenn die Erzeugung und Vernichtung von Partikeln so funktioniert, wie wir es glauben, sollte das frühe Universum mit gleichen Mengen an Materie und Antimaterieteilchen gefüllt sein, die sich alle ineinander umwandeln, da die verfügbare Energie extrem hoch bleibt.

Während sich das Universum ausdehnt und abkühlt, werden instabile Teilchen, die einmal in großer Menge erzeugt wurden, zerfallen. Wenn die richtigen Bedingungen erfüllt sind - insbesondere die drei Sacharow-Bedingungen - können sie zu einem Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie führen, selbst wenn es anfangs keine gab. Die Herausforderung für Physiker besteht darin, ein tragfähiges Szenario zu erstellen, das mit Beobachtungen und Experimenten übereinstimmt und Ihnen einen ausreichenden Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie bietet.

Wenn die elektroschwache Symmetrie bricht, kann die Kombination aus CP-Verletzung und Baryonenzahlverletzung aufgrund des Effekts von Sphaleron-Wechselwirkungen, die auf einen Neutrinoüberschuss wirken, zu einer Materie / Antimaterie-Asymmetrie führen, bei der es zuvor keine gab. (UNIVERSITÄT HEIDELBERG)

Es gibt drei Hauptmöglichkeiten, wie dieser Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie entstanden sein könnte:

  1. Neue Physik auf der elektroschwachen Skala könnte das Ausmaß der C- und CP-Verletzung im Universum erheblich erhöhen und zu einer Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie führen. Standardmodell-Wechselwirkungen (durch den Sphaleron-Prozess), die B und L einzeln verletzen (aber dennoch B - L erhalten), können dann die richtigen Mengen an Baryonen und Leptonen erzeugen.
  2. Neue Neutrinophysik bei hohen Energien, von denen wir einen enormen Hinweis haben, könnte schon früh eine grundlegende Leptonasymmetrie erzeugen: die Leptogenese. Die Sphalerons, die B - L konservieren, könnten dann diese Leptonasymmetrie verwenden, um eine Baryonenasymmetrie zu erzeugen.
  3. Oder BUTogenese im GUT-Maßstab, bei der neue Physik (und neue Teilchen) auf der großen Vereinigungsskala gefunden werden, wo sich die elektroschwache Kraft mit der starken Kraft vereinigt.

Diese Szenarien haben alle einige Gemeinsamkeiten. Lassen Sie uns also als Beispiel das letzte durchgehen, um zu sehen, was hätte passieren können.

Zusätzlich zu den anderen Teilchen im Universum gibt es, wenn die Idee einer großen einheitlichen Theorie auf unser Universum zutrifft, zusätzliche superschwere Bosonen, X- und Y-Teilchen, zusammen mit ihren Antiteilchen, die mit ihren entsprechenden Ladungen inmitten der Hitze gezeigt werden Meer anderer Teilchen im frühen Universum. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Wenn eine große Vereinigung wahr ist, sollte es neue, superschwere Teilchen geben, die als X und Y bezeichnet werden und sowohl baryonartige als auch leptonartige Eigenschaften haben. Es sollte auch ihre Antimaterie-Gegenstücke geben: Anti-X und Anti-Y mit den entgegengesetzten B - L-Zahlen und den entgegengesetzten Ladungen, aber der gleichen Masse und Lebensdauer. Diese Teilchen-Antiteilchen-Paare können bei ausreichend hohen Energien in großer Menge erzeugt werden und werden dann zu späteren Zeiten zerfallen.

So kann dein Universum mit ihnen gefüllt werden, und dann werden sie verfallen. Wenn Sie jedoch eine C- und CP-Verletzung haben, ist es möglich, dass es geringfügige Unterschiede zwischen dem Zerfall der Partikel und Antiteilchen (X / Y vs. Anti-X / Anti-Y) gibt.

Wenn wir zulassen, dass X- und Y-Partikel in die gezeigten Quarks und Lepton-Kombinationen zerfallen, zerfallen ihre Antiteilchen-Gegenstücke in die jeweiligen Antiteilchen-Kombinationen. Wenn jedoch CP verletzt wird, können die Zerfallspfade - oder der Prozentsatz der Partikel, die auf die eine oder andere Weise zerfallen - für die X- und Y-Partikel im Vergleich zu den Anti-X- und Anti-Y-Partikeln unterschiedlich sein, was zu einer Nettoproduktion von Baryonen führt Antibaryonen und Leptonen über Antileptonen. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Wenn Ihr X-Teilchen zwei Wege hat: Zerfall in zwei Up-Quarks oder einen Anti-Down-Quark und ein Positron, muss das Anti-X zwei entsprechende Wege haben: zwei Anti-Up-Quarks oder einen Down-Quark und ein Elektron. Beachten Sie, dass das X in beiden Fällen B - L von zwei Dritteln hat, während das Anti-X negative zwei Drittel hat. Ähnlich verhält es sich mit den Y / Anti-Y-Partikeln. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied, der bei C- und CP-Verstößen zulässig ist: Es ist wahrscheinlicher, dass das X in zwei Up-Quarks zerfällt als das Anti-X in zwei Anti-Up-Quarks, während das Anti-X sein könnte Es ist wahrscheinlicher, dass es in einen Down-Quark und ein Elektron zerfällt als das X in einen Anti-Down-Quark und ein Positron.

Wenn Sie genügend X / Anti-X- und Y / Anti-Y-Paare haben und diese auf diese erlaubte Weise zerfallen, können Sie leicht einen Überschuss an Baryonen gegenüber Antibaryonen (und Leptonen gegenüber Anti-Leptonen) herstellen, wo zuvor keine vorhanden waren.

Im frühen Universum war die gesamte Reihe von Partikeln und ihren Antimaterieteilchen außerordentlich reichlich vorhanden, aber als sie sich abkühlten, vernichtete die Mehrheit. Die gesamte konventionelle Materie, die wir heute übrig haben, stammt von den Quarks und Leptonen mit positiven Baryonen- und Leptonzahlen, die die Anzahl ihrer Antiquark- und Antilepton-Gegenstücke übertrafen. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Das ist ein Beispiel dafür, wie wir denken, dass es passiert sein muss. Wir begannen mit einem vollständig symmetrischen Universum, das alle bekannten Gesetze der Physik befolgte und mit einem heißen, dichten, reichen Zustand begann, der sowohl Materie als auch Antimaterie in gleichen Mengen enthält. Durch einen noch zu bestimmenden Mechanismus, der den drei Sacharow-Bedingungen entspricht, erzeugten diese natürlichen Prozesse am Ende einen Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie.

Die Tatsache, dass wir existieren und aus Materie bestehen, ist unbestreitbar; Die Frage, warum unser Universum etwas (Materie) statt nichts enthält (aus einer gleichen Mischung von Materie und Antimaterie, die vernichtet), ist immer noch unbeantwortet. In diesem Jahrhundert haben Fortschritte bei präzisen elektroschwachen Tests, Kollidertechnologie, Neutrinophysik und Experimenten, die über das Standardmodell hinausgehen, die Chance, genau zu zeigen, wie es passiert ist. Bis dahin können wir sicher sein, dass es im Universum fast keine Antimaterie gibt, aber niemand weiß warum.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.