Der kollidierende Galaxienhaufen „El Gordo“, der größte bekannte im beobachtbaren Universum, weist dieselben Beweise für dunkle Materie und normale Materie auf wie andere kollidierende Haufen. Es gibt praktisch keinen Raum für Antimaterie in diesem oder an der Grenzfläche bekannter Galaxien oder Galaxienhaufen, was seine 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 am Gas, Staub und Plasma, die den Raum zwischen diesen dichten Strukturen besiedeln,

wir finden überall die gleichen Unterschriften. Wir sehen atomare Absorptions- und Emissionslinien, wir sehen, wie Materie mit anderen Formen von Materie interagiert, wir sehen Sternentstehung und Sternentod, Kollisionen, Röntgenstrahlen und vieles mehr. Es gibt eine offensichtliche Frage, die nach einer Erklärung ruft: Warum gibt es all dieses Zeug und nicht gar 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 bis hin zu 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 zwei scheinbar widersprüchlichen Tatsachen:

1.) Jede Wechselwirkung zwischen Partikeln, 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 erschaffen, erschaffen wir auch einen Antiquark oder Antilepton.
  • Jedes Mal, wenn ein Quark oder ein Lepton zerstört wird, wird auch ein Antiquark oder ein Antilepton zerstört.
  • Die erzeugten oder zerstörten Leptonen und Antileptonen müssen für jede Leptonenfamilie gleich sein
  • Jedes Mal, wenn ein Quark oder Lepton eine Wechselwirkung, Kollision oder einen 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.

Der einzige Weg, wie wir jemals die Materiemenge im Universum verändert haben, war, auch die Antimaterie des Universums um den gleichen Betrag zu verändern.

Die Herstellung 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 und ist überhaupt nicht in der Lage, etwas anderes zu erfahren. (DMITRI POGOSYAN / UNIVERSITÄT ALBERTA)

Und doch gibt es diese zweite Tatsache:

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

Wir sehen jedoch keine Signaturen von Materie, die sich mit Antimaterie auf der größten Skala vernichtet. 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 sie vernichten). Stattdessen ist es egal, egal, in der gleichen Fülle, wohin wir schauen.

Die Materie und der Energieinhalt im Universum zum gegenwärtigen Zeitpunkt (links) und zu früheren Zeiten (rechts). Beachten Sie das Vorhandensein von dunkler Energie, dunkler Materie und die Prävalenz von normaler Materie gegenüber Antimaterie, die so gering ist, dass sie zu keinem der gezeigten Zeitpunkte einen Beitrag leistet. (NASA, GEÄNDERT DURCH WIKIMEDIA COMMONS USER 老陳, GEÄNDERT DURCH E. SIEGEL)

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

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

Viele Beispiele für Sterne, Nebel, Gase, Staub und andere Formen von Materie können sowohl in der Milchstraße als auch darüber hinaus beobachtet werden. 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), C. R. O’DELL (VANDERBILT), NASA)

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

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

Ob in Haufen, Galaxien, unserer eigenen Sternnachbarschaft oder in 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 beherrscht. (GARY STEIGMAN, 2008, VIA ARXIV.ORG/ABS/0808.1122)

Wie sind wir heute hierher gekommen, mit einem Universum, das aus viel Materie und praktisch keiner Antimaterie besteht, wenn die Naturgesetze zwischen Materie und Antimaterie völlig symmetrisch sind? Nun, es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder wurde das Universum mit mehr Materie als Antimaterie geboren, oder es geschah 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 überprüfbar, ohne das gesamte Universum neu zu erschaffen, aber die zweite ist ziemlich überzeugend. Wenn unser Universum irgendwie eine Materie- / Antimaterie-Asymmetrie geschaffen hat, in der es anfangs keine gab, sollten die damals geltenden Regeln 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 Hinweise auf den Ursprung der Baryogenese geben. (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 Antibaryonen erforderlich sind. Sie sind wie folgt:

  1. Das Universum muss ein System außerhalb des Gleichgewichts sein.
  2. Es muss eine C- und CP-Verletzung aufweisen.
  3. Es muss Wechselwirkungen geben, die gegen die Baryonenzahl verstoßen.

Das erste ist einfach, weil ein expandierendes, kühlendes Universum mit instabilen Partikeln (und / oder Antiteilchen) per definitionem aus dem Gleichgewicht gerät. Das zweite Verfahren 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, reizvollen und untersten 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 Teilchen 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 kippt die P-Symmetrie das, was wir in einem Spiegel sehen. Wenn sich Partikel und Antiteilchen bei C-, P- oder CP-Symmetrien nicht exakt gleich verhalten, wird diese Symmetrie als verletzt bezeichnet. Bisher verstößt nur die schwache Wechselwirkung gegen einen der drei. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Es bleibt die Frage, wie die Baryonnummer verletzt werden kann. 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.

Es werden drei Quarks benötigt, um ein Baryon zu bilden. Daher wird für alle drei Quarks eine Baryonenzahl (B) von 1 zugewiesen. Ebenso hat jedes Lepton eine Leptonenzahl (L) von 1. Antiquarks, Antibaryons und Antileptons haben alle ein negatives B und L-Nummern entsprechend.

Nach dem Standardmodell ist 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 für diese benötigen. Die genauen Umstände mögen unbekannt sein, aber der heiße Urknall gab ihnen die Gelegenheit, aufzutreten.

Bei den im sehr jungen Universum erreichten hohen Temperaturen können nicht nur Teilchen und Photonen bei ausreichender Energie spontan erzeugt werden, sondern auch Antiteilchen und instabile Teilchen, was zu einer primordialen Teilchen-und-Antiteilchen-Suppe führt. Doch selbst unter diesen Bedingungen können nur wenige bestimmte 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 alle bekannten Partikel und Antiteilchen in großer Menge zu erzeugen. Wenn die Partikelerzeugung und -vernichtung so funktioniert, wie wir 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 realisierbares Szenario zu generieren, das mit Beobachtungen und Experimenten übereinstimmt und Ihnen genügend Materialüberschuss gegenüber Antimaterie liefert.

Wenn die elektroschwache Symmetrie bricht, kann die Kombination von CP-Verletzung und Baryonenzahl-Verletzung aufgrund der Wirkung von Sphaleron-Wechselwirkungen, die auf einen Neutrinoüberschuss einwirken, eine Materie / Antimaterie-Asymmetrie erzeugen, bei der es zuvor keine gab. (UNIVERSITÄT HEIDELBERG)

Es gibt drei Möglichkeiten, wie dieser Überschuss an Materie über 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. Standardmodellwechselwirkungen (durch den Sphaleronprozess), 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 Baryonasymmetrie zu erzeugen.
  3. Oder Baryogenese auf der GUT-Skala, bei der neue Physik (und neue Teilchen) auf der großen Einigungsskala gefunden werden, bei der sich die elektroschwache Kraft mit der starken Kraft vereinigt.

Diese Szenarien haben alle einige Gemeinsamkeiten. Sehen wir uns daher als Beispiel die letzten an, um zu sehen, was hätte passieren können.

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

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

Damit dein Universum mit ihnen gefüllt werden kann und sie dann verfallen. Wenn Sie jedoch eine C- und CP-Verletzung haben, kann es zu geringfügigen Unterschieden zwischen dem Zerfall von Partikeln und Antiteilchen (X / Y vs. Anti-X / Anti-Y) kommen.

Wenn wir X- und Y-Teilchen in die gezeigten Quarks- und Lepton-Kombinationen zerfallen lassen, zerfallen ihre Antiteilchen-Gegenstücke in die jeweiligen Antiteilchen-Kombinationen. Wenn jedoch gegen CP verstoßen wird, können die Zerfallswege - oder der Prozentsatz der in eine Richtung zerfallenden Partikel - 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 Aufwärts-Quarks oder ein Anti-Abwärts-Quark und ein Positron, muss das Anti-X zwei entsprechende Wege haben: zwei Anti-Aufwärts-Quarks oder ein Abwärts-Quark und ein Elektron. Beachten Sie, dass das X in beiden Fällen ein B - L von zwei Dritteln hat, während das Anti-X negative zwei Drittel hat. Ähnliches gilt für die Y / Anti-Y-Partikel. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied, der bei C- und CP-Verletzung zulässig ist: Es ist wahrscheinlicher, dass das X in zwei Aufwärtsquarks zerfällt, als dass das Anti-X in zwei Aufwärtsquarks zerfällt, während es das Anti-X sein könnte Ein Zerfall in ein Down-Quark und ein Elektron ist wahrscheinlicher als ein Zerfall in ein Anti-Down-Quark und ein Positron.

Wenn Sie über genügend X / Anti-X- und Y / Anti-Y-Paare verfügen und diese auf diese zulässige Weise zerfallen, können Sie leicht einen Überschuss an Baryonen gegenüber Antibaryonen (und Leptonen gegenüber Anti-Leptonen) herstellen, bei denen es zuvor keine gab.

Im frühen Universum gab es außerordentlich viele Teilchen und ihre Antimaterieteilchen, aber als sich das Universum abkühlte, vernichtete sich die Mehrheit. Die konventionelle Materie, die wir heute übrig haben, stammt von den Quarks und Leptonen mit positiven Baryon- und Leptonenzahlen, die die Anzahl ihrer Antiquark- und Antilepton-Gegenstücke übersteigen. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Dies ist ein Beispiel dafür, wie wir glauben, dass dies geschehen sein muss. Wir begannen mit einem vollständig symmetrischen Universum, das allen bekannten Gesetzen der Physik gehorchte und mit einem heißen, dichten, reichen Zustand, der sowohl Materie als auch Antimaterie in gleichen Mengen enthält. Durch einen noch zu bestimmenden Mechanismus, der die drei Sacharow-Bedingungen erfüllt, haben diese natürlichen Prozesse am Ende einen Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie erzeugt.

Die Tatsache, dass wir existieren und aus Materie bestehen, ist unbestreitbar; Die Frage, warum unser Universum etwas (Materie) anstelle von nichts enthält (aus einer gleichen Mischung von Materie und Antimaterie, die sich vernichtet), ist immer noch unbeantwortet. In diesem Jahrhundert haben Fortschritte bei präzisen elektroschwachen Tests, der Kollidertechnologie, der Neutrinophysik und Experimenten, die über das Standardmodell hinausgehen, die Chance, genau aufzudecken, 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 aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.