El universo surgió de cero, con materia positiva y antimateria, pero ¿por qué hay más materia positiva que antimateria?
En el universo en el que vivimos ahora, hay innumerables estrellas, galaxias y grupos de galaxias. Solo digo que la vida y las formas materiales en nuestra Tierra también están llenas de diversidad, y lo que puedes ver ahora mismo. de todo! Viendo esto todos nos hacemos una pregunta: ¿De dónde vienen estas sustancias?
¿Cómo es el universo que vemos hoy?
Ahora volvemos al universo. Cuando observamos el universo, cada punto de luz en el cielo, ya sea un planeta, estrella, galaxia, cúmulo de galaxias u otro cuerpo celeste más grande, su apariencia y evolución. Todos contienen la historia del universo entero.
A mayor escala, existe una enorme estructura similar a un filamento compuesta de galaxias en el universo, y cada píxel representa la ubicación de una galaxia.
Ahora sabemos que el universo está lleno de materia y energía oscuras, y cuando consideramos toda la estructura del universo, la imagen de arriba es lo que vemos hoy. Si abandonamos la materia y la energía oscuras y modificamos nuestra teoría de la gravedad, no podremos reproducir la estructura del universo actual. Una combinación entre simulaciones y observaciones de la vasta red cósmica de cúmulos, filamentos y vacíos de galaxias que llenan todo el universo moderno. ¿De dónde vinieron estas estructuras?
Fueron necesarios miles de millones de años de evolución universal, la fuerza irresistible de la gravedad y el crecimiento descontrolado de la estructura material en el universo en expansión para hacer del universo lo que vemos ahora.
La materia ordinaria del universo (protones, neutrones y electrones) produce la luz visible que captamos con los telescopios. Las estrellas y galaxias que vemos están formadas por materia ordinaria. Sin embargo, la existencia misma de la materia ordinaria es un misterio. ¡Porque las leyes de la física no nos permiten crear o destruir materia sin crear o destruir una cantidad igual de antimateria! En otras palabras, ¡la materia y la antimateria siempre nacen y se destruyen!
La creación y destrucción de cantidades iguales de antimateria y materia es correcta en experimentos y observaciones. Pero ese no es el caso. Porque nuestro universo parece preferir la materia, e inicialmente había un poco más de materia que antimateria. Si la cantidad de antimateria es igual a la cantidad de materia que tenemos ahora en el universo, entonces la materia en el universo se volverá extremadamente escasa, por lo que. Eso en cuanto a que solo haya una partícula subatómica por kilómetro cúbico. La densidad sería menos de una milmillonésima parte de la densidad del universo actual.
¿Podemos crear más materia basándonos en suposiciones teóricas?
Regresemos a las primeras etapas del universo, cuando el universo estaba lleno de plasma denso y caliente, y contenía cantidades iguales de materia y antimateria, para ver si podemos crear el universo que vemos hoy bajo las leyes de la física.
En el contexto del plasma caliente, denso y completamente ionizado del universo primitivo, cantidades iguales de partículas y antipartículas se movían hacia adelante y hacia atrás, chocando y aniquilándose entre sí, mientras que otras partículas, como los fotones, interactuaban. para producir cantidades iguales de materia y antimateria.
Si el tamaño y la temperatura del universo son siempre constantes, entonces el número de todas las partículas y antipartículas que contiene también es estable, entonces es imposible producir más materia que antimateria y es imposible producir Más materia que materia. Mucha antimateria. Pero en nuestro universo, este no es el caso.
El universo se expande y enfría constantemente, lo que significa que cuando la temperatura cae por debajo de cierto valor, la velocidad a la que el universo crea materia y antimateria será significativamente más lenta que su velocidad de aniquilación. ¿Por qué? Debido a que E = mc^2, ¡la energía del universo ya no es suficiente para crear partículas de materia y antimateria! Y las antipartículas positivas y antipartículas existentes seguirán aniquilándose.
Pero a medida que el universo se expande, la tasa de aniquilación de la materia y la antimateria también disminuye, lo que hace cada vez más difícil que las partículas de materia y antimateria se encuentren entre sí. Debido a que el universo se está expandiendo y la densidad está disminuyendo, cuando alcanza un punto (una cierta densidad), la materia y la antimateria ya no pueden encontrarse y la aniquilación se detendrá. El material residual restante quedará "congelado". ¡A esto lo llamamos el universo fuera del equilibrio térmico!
La materia y antimateria congeladas restantes harán que el universo se rompa del equilibrio de materia y antimateria. Por ejemplo, en algún momento obtenemos un universo que contiene muchos mesones y antimesons.
Como la mayoría de las partículas, estas partículas son inestables y se desintegran. Para la mayoría de las partículas/antipartículas, como los mesones/antimesones, si los mesones se desintegran en antipartículas y los antimesones se desintegran en partículas positivas, entonces la materia y la antimateria en todo el universo todavía están equilibradas.
Pero puede haber algunas partículas (que aún no hemos descubierto) que sean esencialmente diferentes de sus propias antipartículas, ¡y esta diferencia producirá más materia que antimateria en el universo!
Supongamos que el universo está lleno de una nueva partícula inestable, la Q con carga positiva, y su antipartícula, la Q- con carga negativa. Debido a ciertas leyes de conservación, deben tener la misma masa, cargas opuestas y la misma vida útil total.
Supongamos que Q puede descomponerse en protones y neutrinos, y también puede descomponerse en antineutrones y positrones. Esto significa que se debe permitir que Q- se descomponga en antiprotones y antineutrinos, o neutrones y electrones.
Hay tres cosas importantes acerca de esta desintegración:
Permite una violación de la conservación del número bariónico. (Es decir, la suma del número de protones y el número de neutrones).
Este tipo de desintegración está permitida en el modelo estándar siempre que se conserve el número de bariones menos el número de leptones
Si el cálculo es correcto, se puede producir más materia que antimateria.
Además de perder el equilibrio térmico, también necesitamos que estas partículas tengan otra propiedad.
Si el porcentaje de Q que se convierte en protones y neutrinos es el mismo que el porcentaje de Q que se convierte en antiprotones y antineutrinos, esto tampoco funcionará, sus productos de desintegración aún se aniquilarán. Si el número de protones y antiprotones es igual, el universo no puede producir más materia que antimateria.
Lo mismo ocurre con los antineutrones/positrones y los neutrones/electrones. ¡Otra posibilidad es que las partículas Q tiendan a un tipo de desintegración y las partículas Q- a otro tipo de desintegración!
Si esto sucede, entonces las partículas Q serán más fuertes que las partículas Q y producirán más protones y neutrinos. , y Q- producirá más neutrones y electrones que Q, que producirá más antiprotones y antineutrinos.
¿Qué obtenemos si sólo nos fijamos en los protones/neutrones/antiprotones/antineutrones producidos por la desintegración? ¡Un universo con más materia que antimateria!
Resumen: Qué condiciones se deben cumplir para que el universo tenga más materia que antimateria
De hecho, siempre y cuando el universo cumpla con los siguientes tres famosos criterios:
Condición de pérdida de equilibrio térmico,
Existe una interacción que viola el número bariónico
La existencia de ruptura de simetría C y ruptura de simetría CP (diferencia de atenuación)
producirá lo que somos ahora. Verá el universo lleno de materia. En la actualidad, no hemos encontrado partículas que violen la conservación del número bariónico en los experimentos, ¡y también carecemos de partículas con una fuerte destrucción de CP para satisfacer las suposiciones anteriores! Por lo tanto, creemos que todavía hay algunas partículas en el universo que no hemos descubierto, porque nuestro modelo estándar actual no puede explicar el problema centenario de que hay más materia que antimateria. La hipótesis anterior es la razón por la cual hay materia en el universo en lugar de nada.