Почему наша вселенная вращается с большим количеством материи, чем с ее причудливым аналогом антивеществом - и почему мы вообще существуем - это одна из больших загадок современной физики .
Каким-то образом, когда вселенная была невероятно молода, почти все антивещество исчезло, оставив только обычную материю. Теоретики долго искали неуловимое объяснение - и, что более важно, способ проверить это объяснение с помощью экспериментов.
Трио теоретиков предположило, что частица, называемая бозоном Хиггса, может быть ответственной за таинственно исчезающее антивещество во вселенной. И они думают, что знают, как найти подозреваемого в этом.
Почти в каждом отдельном взаимодействии между субатомными частицами антивещество (идентичное нормальному веществу, но с противоположным зарядом) и нормальное вещество производятся в равной мере. Кажется, что это фундаментальная симметрия вселенной. И все же, когда мы смотрим на ту же самую вселенную, мы почти не видим никакого антивещества. Насколько физики могут предположить, что на каждую существующую частицу антиматерии, существует около миллиарда частиц нормальной материи по всему космосу.
Эта загадка называется многими именами, такими как проблема асимметрии вещества и проблема асимметрии бариона; независимо от названия, это поставило физиков в тупик. На сегодняшний день никто не смог дать последовательного объяснения доминирования материи над антивеществом, и поскольку физикам приходится объяснять почему, это начинает их раздражать.
Тем не менее, природа оставила некоторые подсказки, чтобы мы могли разобраться. Например, никаких доказательств наличия большого количества антивещества на так называемом космическом микроволновом фоне - тепло, оставшееся от Большого взрыва, рождения Вселенной. Это говорит о том, что антивещество могло произойти в очень ранней вселенной. И ранняя вселенная была довольно сумасшедшим местом, где происходили всевозможные сложные, плохо понятые физикам процессы.
На самом деле, лучшее время для исчезновения антивещества - это короткая, но бурная эпоха в нашей вселенной, когда космос начал остывать.
При высоких энергиях (как внутри коллайдера частиц) электромагнитная сила и слабая ядерная сила объединяют свои силы, образуя новую силу: электрослабую. Однако когда вещество остывают и возвращаются к нормальной энергии, электрослабое расщепляется на знакомые две силы.
При еще более высоких энергиях, подобных тем, которые были обнаружены в первые моменты Большого взрыва, мы думаем, что сильная ядерная сила сливалась с электрослабым, а при еще более высоких энергиях гравитация объединяет пару в единую объединенную силу. Но мы еще не выяснили, как гравитация влияет на все это.
Хиггс предложил существование частицы еще в 1960-х годах, но обнаружили ее только в 2012 года в Большом адронном коллайдере. Физики совершенно уверены, что раскол материи и антивещества произошел до того, как все четыре силы природы встали на свои места; это потому, что у нас есть достаточно четкое понимание физики вселенной после разделения, и добавление слишком большого количества антивещества в более поздние эпохи нарушает наблюдения космического микроволнового фона.
Таким образом, возможно, бозон Хиггса играет роль.
Но Хиггс сам по себе не может этого сделать; нет никакого известного механизма, использующего только бозон Хиггса, чтобы вызвать дисбаланс между веществом и антивеществом.
К счастью, история Хиггса не закончена. Физики обнаружили один бозон Хиггса в экспериментах на коллайдере с массой около 125 миллиардов электрон-вольт или ГэВ - для сравнения, протон весит около 1 ГэВ.
Оказывается, Хиггс может быть не одинок. Вполне возможно, что вокруг было больше бозонов Хиггса, которые были более массивными, чем то, что мы можем обнаружить в наших экспериментах. В настоящее время эти большие бозоны, если они существуют, не могут быть обнаружены с помощью наших коллайдеров - у нас просто не хватает энергии, чтобы «активировать» их. Но в первые дни существования Вселенной, когда энергии были намного, намного больше, другие бозоны могли быть активированы, и именно эти Хиггсы могли вызвать дисбаланс в некотором взаимодействии фундаментальных частиц, что привело к современной асимметрии между веществом и антивеществом.
В недавней статье, опубликованной онлайн в журнале препринтов arXiv, три физика предложили интересное потенциальное решение: возможно, три бозона Хиггса (названные «тройкой Хиггса») играли в игру с горячими углями в ранней вселенной, создавая поток нормальной материи.
Чтобы сделать эту работу, теоретики предложили, что трио включало одну известную хиггсовскую частицу и двух новичков, причем каждый из этих дуэтов имел массу около 1000 ГэВ. Это число является чисто произвольным, но оно было специально выбрано, чтобы сделать этот гипотетический Хиггс потенциально обнаруживаемым с помощью следующего поколения коллайдеров частиц. Нет смысла предсказывать существование частицы, которую никогда не обнаружить.
Тогда у физиков есть проблема. Какой бы механизм ни вызывал асимметрию, это должно дать материи преимущество над антивеществом в миллиардном соотношении. И у него есть очень короткое время в ранней вселенной, чтобы сделать свое дело. И этот механизм, включая два новых Хиггса, должен быть тестируемым.
Понятно, что это очень сложный процесс, но всеобъемлющая (и теоретическая) история выглядит следующим образом: два новых хиггсовских частицы распадаются на поток частиц с немного разными скоростями и с немного разными предпочтениями к веществу по сравнению с антивеществом. Эти различия накапливаются со временем, и когда электрослабая сила распадается, достаточное количество различий в популяции частиц вещества-антивещества, делает в конечном итоге нормальную материю доминирующей над антивеществом.