Começa Com Um Estrondo

Pergunte ao Ethan nº 31: Por que somos feitos de matéria?

Crédito da imagem: Fermilab.

Se o Universo começou com igual quantidade de matéria e antimatéria, por que a matéria domina o cosmos de hoje?

Você pode não se sentir extraordinariamente robusto, mas se for um adulto de tamanho médio, conterá em sua estrutura modesta nada menos que 7 × 10^18 joules de energia potencial – o suficiente para explodir com a força de trinta bombas de hidrogênio muito grandes, supondo que você sabia como liberá-lo e realmente queria fazer uma observação. – Bill Bryson

No final de cada semana, eu repasso o melhor de sua dúvidas e sugestões enviadas , e escolha um para ser o assunto da nossa coluna semanal Ask Ethan. A homenagem desta semana vai para Justin Starr , que pergunta o seguinte:

Meu entendimento é que, no universo nascente, havia partes iguais de matéria para antimatéria, seguidas de aniquilação séria de matéria/antimatéria. Por que (como) a matéria venceu no final?

Justin está perguntando sobre um dos grandes mistérios não resolvidos do nosso Universo.

Pense nesses dois fatos aparentemente contraditórios:

Crédito da imagem: Dmitri Pogosyan, via http://www.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect32/lecture32.html .

1.) Toda interação entre partículas que já observamos, em todo energias, nunca criou ou destruiu uma única partícula de matéria sem Além disso criando ou destruindo um número igual de partículas de antimatéria. A simetria física entre matéria e antimatéria é ainda mais rigorosa do que isso:

toda vez que criamos um quark, também criamos um antiquark,
cada vez que um quark é destruído, um antiquark também é destruído,
toda vez que criamos ou destruímos um lépton, também criamos ou destruímos um antilépton da mesma família lépton , e
cada vez que um quark-ou-lépton experimenta uma interação, colisão ou decaimento, o número total líquido de quarks e léptons no final da reação (quarks menos antiquarks, léptons menos antiléptons) é o mesmo no final que era no final. começo.

A única maneira de produzirmos mais (ou menos) matéria no Universo foi Além disso produzir mais (ou menos) antimatéria em quantidades iguais. E, no entanto, há este segundo fato:

Crédito da imagem: Roy Uyematsu.

2.) Quando olhamos para o Universo, para todas as estrelas, galáxias, nuvens de gás, aglomerados, superaglomerados e estruturas de maior escala em todos os lugares, tudo parece ser feito de matéria e não antimatéria. Sempre e onde quer que a antimatéria e a matéria se encontrem no Universo, há uma fantástica explosão de energia devido à aniquilação partícula-antipartícula.

Na verdade, observamos essa aniquilação em alguns locais, mas apenas em torno de fontes hiperenergéticas que produzem matéria e antimatéria em quantidades iguais. Quando a antimatéria encontra matéria no Universo, ela produz raios gama de frequências muito específicas, que podemos detectar.

Mas se olharmos para a mídia interestelar e intergaláctica - o espaço entre as estrelas dentro das galáxias e o espaço entre as galáxias em escalas ainda maiores - descobrimos que está cheio de material, mesmo que haja não são quaisquer estrelas em muitas dessas regiões. O espaço é vasto, é claro, e a densidade da matéria é esparsa, então você pode estar se perguntando se jogou uma única partícula de antimatéria (digamos, um antipróton) na mistura, quanto tempo duraria antes de encontrar uma partícula de importa um aniquilador, em média.

Crédito da imagem: Andrew Harrison de http://interstellar-medium.blogspot.com/ .

No meio interestelar de nossa própria galáxia, o tempo de vida médio seria da ordem de cerca de 300 anos, o que é minúsculo em comparação com a idade da nossa galáxia! Essa restrição nos diz que, pelo menos dentro da Via Láctea, a quantidade de antimatéria que pode ser misturada com a matéria que observamos é no máximo 1 parte em 10^15 !

Em escalas maiores – de galáxias e aglomerados de galáxias, por exemplo – as restrições são menos rigorosas, mas ainda muito fortes. Com observações que vão desde apenas alguns milhões de anos-luz de distância até mais de três bilhão anos-luz de distância, observamos uma escassez de raios-X e raios gama que esperaríamos da aniquilação de matéria-antimatéria. O que vimos é que, mesmo em grandes escalas cosmológicas, 99,999%+ do que existe em nosso Universo é definitivamente matéria (como nós) e não antimatéria.

Crédito da imagem: Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122 .

E isso é um mais baixo limite de quão severamente a matéria domina a antimatéria no Universo, observacionalmente.

Então, por um lado, temos nossos resultados experimentais que mostram uma incapacidade de criar ou destruir matéria sem também criar ou destruir uma quantidade igual de antimatéria e, por outro lado, temos nosso Universo, que parece ser — até onde sabemos — composto praticamente de 100% de matéria e praticamente 0% de antimatéria. Então o que dá?

Se quisermos entender como isso pode ter acontecido, temos que voltar ao início do Universo, logo após o término da inflação e o Big Bang: a uma época em que o Universo era quente, denso e cheio de matéria , antimatéria e radiação.

Crédito da imagem: colaboração RHIC, Brookhaven, via http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11403 .

Nos primeiros estágios do Universo, tudo o que conhecemos era incrivelmente quente e denso. A parte que compõe nosso Universo observável hoje continha cerca de 10^90 (ou mais) partículas de matéria, antimatéria e radiação, com matéria e antimatéria presumivelmente em quantidades iguais. As coisas eram tão energéticas que sempre que duas partículas colidiam, elas podiam produzir matéria e antimatéria em quantidades iguais espontaneamente, e quando matéria e antimatéria colidissem, elas reverteriam em radiação pura. E isso acontecia em todos os lugares, o tempo todo.

Crédito da imagem: Addison-Wesley, recuperada de J. Imamura / U. of Oregon.

Se todo que o Universo foi capaz de fazer foi criar pares de matéria/antimatéria e aniquilá-los novamente, nosso Universo teria parecido muito diferente do que é hoje. Teoricamente, se houvesse não assimetria matéria/antimatéria, à medida que o Universo esfriasse e se expandisse, teríamos rapidamente chegado a um ponto em que a criação de novos pares seria impossível, os pares matéria-antimatéria existentes seriam aniquilados até que as coisas fossem tão esparsas que não pudessem se encontrar mais, e ficaríamos com um Universo cheio principalmente de fótons e uma pequena quantidade de matéria e antimatéria sobrando.

Quanto teria sobrado, quantitativamente ? Até onde sabemos, cerca de 10^70 partículas de matéria e antimatéria cada, para uma razão fóton-próton de cerca de 10^20. Em outras palavras, haveria aproximadamente 100.000.000.000.000.000.000 de fótons para cada próton no Universo e um número igual de antiprótons para prótons.

Mas podemos realmente a medida qual é a razão fóton-próton.

Crédito da imagem: NASA, WMAP Science Team e Gary Steigman.

E não é por pouco tão grave assimetria. Sim, existem muitas, muitas vezes mais fótons do que prótons, mas a proporção é mais de dois bilhões para um (com praticamente nenhuma antimatéria), nos dizendo que algo aconteceu no Universo primitivo para criar um fundamental assimetria matéria-antimatéria. E, segundo nossas observações, essa assimetria aconteceu em todos os lugares (e aconteceu com a mesma grandeza em todos os lugares) que podemos ver.

Crédito da imagem: Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory.

Agora se você quer saber quão isso aconteceu, bem vindo ao clube. Este é o problema de bariogênese , e é um dos maiores problemas não resolvidos em física fundamental . Mas só porque não sabemos exatamente como isso pode ter acontecido não significa que não temos uma boa ideia geral de como isso aconteceu! Em particular, Andrei Sakharov mostrou que se você conhecer apenas três condições , você pode criar um assimetria matéria-antimatéria de um estado inicialmente simétrico:

Condições fora de equilíbrio,
Violação C e violação CP, e
Interações que violam o número bariônico.

É isso. Essas três coisas. E até onde sabemos, o Universo devemos tem os três!

Crédito da imagem: wiseGEEK, 2003 — 2014 Conjecture Corporation, via http://www.wisegeek.com/what-is-cosmology.htm# ; original da Shutterstock / DesignUA.

Condições fora de equilíbrio . Este é o mais fácil. Se você tem um universo grande, quente, em expansão e resfriamento, governado pela relatividade geral e pelas leis da teoria quântica de campos, parabéns: você tem condições fora de equilíbrio! Equilíbrio, lembre-se, é quando todas as partículas em um sistema têm a chance de se comunicar – ou trocar informações – umas com as outras. Mas em nosso Universo em expansão e resfriamento, as partículas de um lado são causalmente desconectado de partículas no outro; de fato, no Universo primitivo, existem cerca de 10^50+ regiões causalmente desconectadas, onde mesmo a luz não teria tempo suficiente para alcançar de uma região para as outras.

O Universo primitivo não estava apenas fora de equilíbrio, mas você seria pressionado a projetar um sistema, mesmo em princípio, que fosse mais fora de equilíbrio do que este.

Crédito da imagem: James Schombert / U. of Oregon.

C -violação e PC -violação . C significa conjugação de carga (ou seja, substituir todas as partículas por antipartículas e todas as antipartículas por partículas), e P significa paridade (o que significa refletir tudo em um espelho). Basicamente, C e P são conservados se você impõe a simetria e as leis da física – e todos os fenômenos físicos – permanecem inalterados, e PC é conservada se você puder impor ambas as simetrias simultaneamente e todos os fenômenos permanecerem inalterados.

Em nosso Universo, as interações gravitacionais, eletromagnéticas e fortes parecem conservar C , P , e PC . Mas as interações fracas violá-los! Em particular, os decaimentos de mésons contendo quarks estranhos (kaons) e quarks bottom (mésons B) são conhecidos por violar C , P , e PC bastante severamente, o que significa que existem algumas diferenças comportamentais fundamentais entre partículas e suas contrapartes antipartículas. Então temos dois dos três.

E finalmente…

Crédito da imagem: Xylene Dream de L.S. Erhardt, por http://comics.feedtacoma.com/xylene-dream/xylene-dream-xd-54/ .

Interações que violam o número baryon . Isso é muito complicado, porque nunca observamos experimentalmente a criação de um quark sem uma contraparte antiquark. (E um bárion é simplesmente qualquer partícula composta de três quarks, como um próton ou um nêutron. Lembre-se, quarks só existem na natureza em estados ligados!) Mas se olharmos para o Modelo Padrão da física de partículas, conhecer pode - não, devo — têm esses tipos de interações.

O que estou prestes a mostrar são as equações de campo que governam o Modelo Padrão da física de partículas. (Não se preocupe com os detalhes, por favor.)

Crédito da imagem: Instituto Max Planck de Física Nuclear Heidelberg, grupo MANITOP, via http://www.mpi-hd.mpg.de/manitop/StandardModel2/index.html .

O que é importante sobre isso é que existe uma propriedade matemática dessa equação conhecido como anomalia que é necessário para uma série de decaimentos de partículas que vemos - como o decaimento do píon neutro — que também permite a violação do número bariônico. Na verdade, o que explicitamente permite é violação de Ambas bário (por exemplo, um próton) e lépton (por exemplo, um elétron), mas que devem ser violados junto , o que significa que o Universo deve ter o mesmo número total de bárions e léptons! (Isso explica nitidamente por que há um número igual de prótons e elétrons e, portanto, por que o Universo não apenas tem prótons e elétrons, mas ainda é eletricamente neutro.)

Crédito da imagem: Pearson Education / Addison-Wesley.

A grande questão, é claro, vem quando começamos a colocar os números. Com base em:

O montante o Universo está fora de equilíbrio,
O montante do C - e PC - violação observada, e
O montante que o Modelo Padrão viola o número bariônico,

nós conseguimos o suficiente violação do número bariônico?

Crédito da imagem: obtido da Universidade de Heidelberg, via http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~doran/cosmo/baryogen.html .

A resposta – até onde sabemos – parece não, não exatamente. (Ainda somos um fator de algumas dezenas de milhões muito baixo.) Agora, pode haver muito mais PC – violando interações no Modelo Padrão em energias mais altas que simplesmente ainda não descobrimos, mas a suposição mais comum é que existe física além do modelo padrão que permite uma quantidade maior de PC -violação ou violação do número bariônico.

Crédito da imagem: Electron Dipole Moment em várias extensões do Modelo Padrão, via grupo Gabrielse e D. DeMille em Harvard, via http://gabrielse.physics.harvard.edu/gabrielse/overviews/ElectronEDM/ElectronEDM.html .

Algumas possibilidades incluem (mas não estão limitadas a):

O Mecanismo Affleck-Dine , que se baseia na supersimetria,
Extensões de modelo padrão na escala eletrofraca ,
Leptogênese , onde uma assimetria lépton fundamental é criada (talvez de nova física de neutrinos ) e então a assimetria bariônica surge disso, ou
Bariogênese em escala GUT , onde a nova física na escala da unificação eletrofraca com a força forte nos permite criar mais matéria do que antimatéria.

Estas são provavelmente apenas palavras sem sentido para você, então permita-me orientá-lo através de um exemplo de como isso pode acontecer usando o cenário de escala GUT. (Isenção de responsabilidade: isso é não como isso provavelmente acontece; este cenário é apenas para fins ilustrativos.)