Hvorfor universet vårt virvler med mer materie enn det bisarre motstykket - og hvorfor vi i det hele tatt eksisterer - er et av de mest forvirrende puslespillene i moderne fysikk.
På en måte, da universet var utrolig ungt, forsvant nesten alt antimateriet, og etterlot bare de normale tingene. Teoretikere har lenge fulgt den stadig unnvikende forklaringen - og enda viktigere, en måte å teste den forklaringen med eksperimenter på.
Nå har en trio av teoretikere foreslått at en trio av partikler kalt Higgs bosons kan være ansvarlig for den mystiske forsvinnende handlingen av antimaterie i universet. Og de tror de vet hvordan de skal finne de mistenkte skyldige.
Saken om den savnede antimaterien
I nesten hver enkelt interaksjon mellom subatomære partikler produseres antimateria (som er identisk med normal substans, men med motsatt ladning) og normal substans i like stor grad. Det ser ut til å være en grunnleggende symmetri av universet. Og likevel, når vi går ut og ser på det samme universet, ser vi knapt noen antimaterie i det hele tatt. Så langt fysikere kan fortelle, er det rundt en milliard partikler med normal substans, over hele kosmos, for hver antikkelstoff som fortsatt henger rundt.
Dette mysteriet går under mange navn, for eksempel saken asymmetri problemet og baryon asymmetri problemet; uansett navn, har fysikere stumpet. Per nå har ingen vært i stand til å gi en sammenhengende, konsekvent forklaring på dominans av materie over antimaterie, og siden det er fysikernes jobb å forklare hvordan naturen fungerer, begynner det å bli irriterende.
Naturen lot imidlertid noen ledetråder ligge for oss å pusle over. For eksempel vises ingen bevis for mye antimaterie i den såkalte kosmiske mikrobølgebakgrunnen - varme som er til overs fra Big Bang, universets fødsel. Det antyder at kaperen skjedde i det ganske tidlige universet. Og det tidlige universet var et ganske sprø sted, med alle slags kompliserte, dårlig forstått fysikk som foregikk. Så hvis materie og antimaterie kommer til å splitte, er det et godt tidspunkt å gjøre det.
Skyld Higgs
Faktisk er den beste tiden for antimateria å forsvinne under den korte, men svulstige epoken i vårt univers da naturens krefter splittet fra hverandre mens kosmos avkjølte seg.
Ved høye energier (som de som er inne i en partikkelkollidering), kombinerer den elektromagnetiske kraften og den svake kjernekraften sine krefter til å danne en ny kraft: elektrok. Når ting er avkjølt og tilbake til normal hverdagsenergi, deles imidlertid electroweak i de kjente to kreftene.
Ved enda høyere energier, som de som ble funnet i de første øyeblikkene av Big Bang, tror vi at den sterke kjernekraften slår seg sammen med elektroken, og ved fremdeles høyere energier slutter tyngdekraften partiet inn i en samlet enhet. Men vi har ikke helt funnet ut hvordan tyngdekraften kommer inn i spillet ennå.
Higgs-bosonen, som ble foreslått å eksistere på 1960-tallet, men ikke ble oppdaget før i 2012 i Large Hadron Collider, gjør arbeidet med å splitte den elektromagnetiske kraften fra den svake atomkraften. Fysikere er ganske sikre på at splittelsen mellom materie-antimaterie skjedde før alle de fire naturkreftene falt på plass som sine egne enheter; Det er fordi vi har en ganske klar forståelse av fysikken i universet etter oppdelingen, og å legge for mye antimaterie i senere epoker bryter med observasjoner av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen).
Som sådan spiller kanskje Higgs-bosonet en rolle.
Men Higgs i seg selv kan ikke kutte det; det er ingen kjent mekanisme som bare bruker Higgs for å forårsake en ubalanse mellom materie og antimaterie.
Heldigvis er historien om Higgs ikke over. Fysikere har funnet en enkelt Higgs-boson i kolliderforsøk, med en masse på rundt 125 milliarder elektron volt, eller GeV - som referanse veier en proton rundt 1 GeV.
Det viser seg at Higgs ikke er alene.
Det er fullt mulig for det å være flere Higgs-bosoner som flyter rundt som er mer massive enn det vi for tiden kan oppdage i eksperimentene våre. Nå for tiden ville ikke de heftigere Higgs, hvis de eksisterer, ikke gjort mye, ikke egentlig deltatt i noen fysikk som vi kan få tilgang til med kolliderne våre - Vi har bare ikke nok energi til å "aktivere" dem. Men i de første dagene av universet, når energiene var mye, mye høyere, kunne de andre Higgs ha blitt aktivert, og de Higgs kan ha forårsaket en ubalanse i visse grunnleggende partikkelinteraksjoner, noe som førte til den moderne asymmetrien mellom materie og antimaterie.
Å løse mysteriet
I en fersk artikkel publisert online i preprint-tidsskriftet arXiv, foreslo tre fysikere en interessant potensiell løsning: Kanskje spilte tre Higgs-bosoner (kalt "Higgs Troika") et spill med potet i det tidlige universet, og genererte en flom av normal materie . Når saken berører antimaterie - Poof - utslettes de to og forsvinner.
Og så ville mesteparten av den strømmen av materie tilintetgjøre antimateriet og oversvømme den nesten ut av eksistensen i en flom av stråling. I dette scenariet ville det være nok normal materie igjen til å føre til dagens univers som vi kjenner og elsker.
For å få dette til å gjøre, foreslår teoretikerne at trioen inkluderer den kjente Higgs-partikkelen og to nybegynnere, hvor hver av denne duoen har en masse på rundt 1.000 GeV. Dette tallet er rent vilkårlig, men ble spesielt valgt for å gjøre denne hypotetiske Higgs potensielt oppdagbar med neste generasjon av partikkeloppsamlere. Det nytter ikke å forutsi eksistensen av en partikkel som aldri kan oppdages.
Da har fysikerne en utfordring. Uansett hvilken mekanisme som forårsaker asymmetrien, må gi saken en fordel over antimaterien med en faktor på en milliard til en. Og det har et veldig kort tidsvindu i det tidlige universet for å gjøre sine ting; når kreftene splittes, er spillet over, og fysikken som vi vet er den låst på plass. Og denne mekanismen, inkludert de to nye Higgs, må kunne testes.
Det korte svaret: De klarte det. Det er forståelig nok en veldig komplisert prosess, men den overordnede (og teoretiske) historien går slik: De to nye Higgs forfaller til dusjer av partikler i litt forskjellige hastigheter og med litt forskjellige preferanser for materie fremfor antimaterie. Disse forskjellene bygger seg opp over tid, og når elektrokekraften splitter opp, er det nok av en forskjell i materie-antimateriale partikkelpopulasjoner "bygget inn" til universet at normal materie ender med å dominere over antimaterie.
Jada, dette løser problemet med baryon asymmetri, men fører bare umiddelbart til spørsmålet om hva naturen gjør med så mange Higgs-bosoner. Men vi tar ting ett skritt av gangen.
