Hvorfor vores univers virvler med mere stof end dets bizarre modstykke-antimaterie - og hvorfor vi overhovedet eksisterer - er et af de mest forvirrende puslespil i moderne fysik.
På en eller anden måde, da universet var utroligt ung, forsvandt næsten alt antimateriet, hvilket efterlod bare de normale ting. Teoretikere har længe forfulgt den stadig svigagtige forklaring - og vigtigere, en måde at teste forklaringen på med eksperimenter.
Nu har en trio af teoretikere foreslået, at en trio af partikler kaldet Higgs bosons kunne være ansvarlig for den mystiske forsvindende handling antimaterie i universet. Og de tror, de ved, hvordan man finder de mistænkte skyldige.
Sagen om den manglende antimaterie
I næsten hver enkelt interaktion mellem subatomære partikler produceres antimaterie (som er identisk med normal stof, men med modsat ladning) og normal stof i samme mål. Det ser ud til at være en grundlæggende symmetri af universet. Og alligevel, når vi går ud og ser på det samme univers, ser vi næppe nogen antimaterie overhovedet. Så vidt fysikere kan fortælle, der er omkring en milliard partikler af normal stof over hele kosmos for hver antistofpartikel, der stadig hænger rundt.
Dette mysterium går ved mange navne, såsom sagen asymmetri-problemet og baryon-asymmetri-problemet; uanset navn har fysikerne stubbet. Indtil nu har ingen været i stand til at give en sammenhængende, konsekvent forklaring på materiens dominans i forhold til antimaterie, og da det er fysikernes job at forklare, hvordan naturen fungerer, begynder det at blive irriterende.
Naturen efterlod dog nogle spor, der lå rundt for os at pusle over. For eksempel vises der ikke noget bevis for masser af antimaterie i den såkaldte kosmiske mikrobølgebakgrund - varme, der er tilbage fra Big Bang, universets fødsel. Det antyder, at kaperen forekom i det meget tidlige univers. Og det tidlige univers var et temmelig skørt sted, med alle slags komplicerede, dårligt forståede fysik, der foregik. Så hvis materie og antimaterie kommer til at splitte, er det et godt tidspunkt at gøre det.
Skyld Higgs
Faktisk er den bedste tid for antimateriale at forsvinde under den korte, men svulmende epoke i vores univers, da naturens kræfter splittede fra hinanden, mens kosmos afkøledes.
Ved høje energier (som dem inde i en partikelcollider) kombinerer den elektromagnetiske kraft og den svage atomkraft deres kræfter til at danne en ny kraft: elektropæl. Når tingene først er afkølet og vender tilbage til normale hverdagslige energier, opdeler elektropraket sig imidlertid i de velkendte to kræfter.
Ved endnu højere energier, ligesom dem, der blev fundet i de første øjeblikke af Big Bang, tror vi, at den stærke atomkraft smelter sammen med elektroken, og ved stadig højere energier slutter tyngdekraften partiet til en enkelt samlet styrke. Men vi har ikke helt fundet ud af, hvordan tyngdekraften kommer ind i spillet endnu.
Higgs-bosonen, der blev foreslået at eksistere i 1960'erne, men først blev opdaget inden 2012 i Large Hadron Collider, udfører arbejdet med at splitte den elektromagnetiske kraft fra den svage atomkraft. Fysikere er temmelig sikre på, at opdelingen af materie-antimaterie skete, før alle fire naturkræfter faldt på plads som deres egne enheder; Det skyldes, at vi har en ret klar forståelse af universets fysik efter splittelse, og at tilføje for meget antimaterie i senere epoker krænker observationer af den kosmiske mikrobølgebakgrund).
Som sådan spiller måske Higgs-bosonen en rolle.
Men Higgs i sig selv kan ikke klippe det; der er ingen kendt mekanisme, der kun bruger Higgs til at forårsage en ubalance mellem stof og antimaterie.
Heldigvis er historien om Higgs måske ikke forbi. Fysikere har fundet en enkelt Higgs-boson i collider-eksperimenter med en masse på omkring 125 milliarder elektron volt, eller GeV - som reference vejer en proton omkring 1 GeV.
Det viser sig, at Higgs måske ikke er alene.
Det er helt muligt for der at være flere Higgs-bosoner, der svæver rundt, og som er mere massive end hvad vi i øjeblikket kan registrere i vores eksperimenter. I dag ville de heftigere Higgs, hvis de findes, ikke gøre meget og ikke rigtig deltage i nogen fysik, som vi kan få adgang til med vores kollidere - Vi har bare ikke nok energi til at "aktivere" dem. Men i de tidlige dage af universet, hvor energier var meget, meget højere, kunne de andre Higgs have været aktiveret, og disse Higgs kan have forårsaget en ubalance i visse grundlæggende partikelinteraktioner, hvilket førte til den moderne asymmetri mellem stof og antimaterie.
Løs mysteriet
I et nyligt papir, der blev offentliggjort online i preprint-tidsskriftet arXiv, foreslog tre fysikere en interessant potentiel løsning: Måske spillede tre Higgs-bosoner (kaldet "Higgs Troika") et spil varm kartoffel i det tidlige univers, hvilket genererede en oversvømmelse af normal stof . Når sagen rører antimaterie - Poof - udslettes de to og forsvinder.
Og så ville det meste af denne strøm af materie udslette antimateriet og oversvømme det næsten udelukkende fra eksistensen i en strøm af stråling. I dette scenarie ville der være tilstrækkelig normal sag tilbage til at føre til nutidens univers, som vi kender og elsker.
For at gøre dette arbejde foreslår teoretikerne, at trioen inkluderer den ene kendte Higgs-partikel og to nybegynder, hvor hver af denne duo har en masse på omkring 1.000 GeV. Dette nummer er rent vilkårligt, men blev specifikt valgt for at gøre denne hypotetiske Higgs potentielt synlig med den næste generation af partikelkolliderere. Det er ikke nyttigt at forudsige eksistensen af en partikel, der aldrig kan opdages.
Fysikerne har derefter en udfordring. Uanset hvilken mekanisme der forårsager asymmetrien er nødt til at give sagen en fordel over antimateriale med en faktor på en milliard til en. Og det har et meget kort tidsvindue i det tidlige univers til at gøre sine ting; når kræfterne splittes, er spillet forbi, og fysik, som vi kender, er låst på plads. Og denne mekanisme, inklusive de to nye Higgs, skal kunne testes.
Det korte svar: De var i stand til det. Det er forståeligt nok en meget kompliceret proces, men den overordnede (og teoretiske) historie går sådan ud: De to nye Higgs forfalder i brusere af partikler i lidt forskellige hastigheder og med lidt forskellige præferencer for stof frem for antimaterie. Disse forskelle bygger sig op over tid, og når elektro-strømstyrken splittes, er der nok af en forskel i stof-antimateriale partikelpopulationer "indbygget" i universet, at normal stof ender med at dominere over antimateriale.
Ja, dette løser problemet med baryon asymmetri, men fører straks til spørgsmålet om, hvad naturen laver med så mange Higgs-bosoner. Men vi tager tingene et skridt ad gangen.
