Saat kita melihat alam semesta, di semua planet dan bintangnya, galaksi dan gugusannya, gas, debu, plasma, kita melihat tanda tangan yang sama di mana-mana. Kita melihat garis-garis penyerapan dan emisi atom, kita melihat bahwa materi berinteraksi dengan bentuk materi lain, kita melihat pembentukan bintang dan kematian bintang, tumbukan, sinar-X, dan banyak lagi. Ada pertanyaan jelas yang membutuhkan penjelasan: mengapa kita melihat semua ini? Jika hukum fisika menentukan kesimetrian antara materi dan antimateri, alam semesta yang kita amati seharusnya tidak ada.
Tapi kami di sini dan tidak ada yang tahu kenapa.
Mengapa tidak ada antimateri di alam semesta?
Pikirkan tentang dua fakta yang tampaknya bertentangan ini:
- setiap kali kami membuat quark atau lepton, kami juga membuat antiquark dan antilepton;
- setiap kali quark atau lepton dihancurkan, antiquark atau antilepton juga dihancurkan;
- lepton dan antilepton yang dibuat atau dihancurkan harus seimbang di seluruh keluarga summerpon dan setiap kali quark atau lepton berinteraksi, bertabrakan atau membusuk, jumlah total quark dan lepton pada akhir reaksi (quark minus antiquark, lepton minus antileptons) harus dan akan sama seperti di awal.
Satu-satunya cara untuk mengubah jumlah materi di alam semesta adalah dengan mengubah jumlah antimateri dengan jumlah yang sama.
Namun, ada fakta kedua.
Tapi kami tidak melihat tanda-tanda kehancuran materi oleh antimateri dalam skala terbesar. Kami tidak melihat tanda bahwa beberapa bintang, galaksi, atau planet yang kami amati terbuat dari antimateri. Kami tidak melihat karakteristik sinar gamma seperti yang diharapkan orang jika antimateri bertabrakan dengan materi dan musnah. Sebaliknya, kita hanya melihat materi di mana pun kita memandang.
Video promosi:
Dan sepertinya tidak mungkin. Di satu sisi, tidak ada cara yang diketahui untuk membuat lebih banyak materi selain antimateri dengan melihat partikel dan interaksinya di alam semesta. Di sisi lain, semua yang kita lihat pasti terbuat dari materi, bukan antimateri.
Faktanya, kami telah mengamati pemusnahan materi dan antimateri dalam beberapa kondisi astrofisika yang ekstrem, tetapi hanya di dekat sumber hiperenergi yang menghasilkan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama - lubang hitam, misalnya. Ketika antimateri bertabrakan dengan materi di alam semesta, ia menghasilkan sinar gamma dengan frekuensi yang sangat spesifik, yang kemudian dapat kita deteksi. Media antar galaksi penuh dengan material, dan ketiadaan sinar gamma ini merupakan sinyal kuat bahwa tidak akan pernah ada lebih banyak partikel antimateri, karena tanda materi antimateri akan ditemukan.
Jika Anda melemparkan satu partikel antimateri ke galaksi kita, itu akan bertahan sekitar 300 tahun sebelum dihancurkan oleh sebuah partikel materi. Batasan ini memberi tahu kita bahwa jumlah antimateri di Bima Sakti tidak boleh melebihi 1 partikel per kuadriliun (1015), relatif terhadap jumlah total materi.
Dalam skala besar - skala galaksi satelit, galaksi besar seukuran Bima Sakti, dan bahkan gugusan galaksi - batasannya tidak terlalu ketat, tetapi masih sangat kuat. Mengamati jarak mulai dari beberapa juta tahun cahaya hingga tiga miliar tahun cahaya, kami telah mengamati kelangkaan sinar-X dan sinar gamma yang dapat menunjukkan pemusnahan materi dan antimateri. Bahkan dalam skala kosmologis yang besar, 99,999% dari apa yang ada di alam semesta kita pasti akan diwakili oleh materi (sebagaimana kita adanya) dan bukan antimateri.
Bagaimana kita bisa berada dalam situasi sedemikian rupa sehingga Semesta terdiri dari sejumlah besar materi dan praktis tidak mengandung antimateri, jika hukum alam benar-benar simetris antara materi dan antimateri? Ada dua pilihan: Semesta lahir dengan lebih banyak materi daripada antimateri, atau sesuatu terjadi pada tahap awal, ketika Semesta sangat panas dan padat, dan memunculkan asimetri materi dan antimateri, yang awalnya tidak ada.
Ide pertama tidak dapat diuji secara ilmiah tanpa menciptakan kembali seluruh Semesta, tetapi yang kedua sangat meyakinkan. Jika Alam Semesta kita entah bagaimana menciptakan asimetri materi dan antimateri di tempat asalnya bukan, maka aturan yang berhasil akan tetap tidak berubah hari ini. Jika kita cukup pintar, kita dapat mengembangkan tes eksperimental yang mengungkap asal mula materi di alam semesta kita.
Pada akhir 1960-an, fisikawan Andrei Sakharov mengidentifikasi tiga kondisi yang diperlukan untuk baryogenesis, atau penciptaan lebih banyak baryon (proton dan neutron) daripada antibaryon. Di sini mereka:
- Alam semesta pasti merupakan sistem non-keseimbangan.
- Harus ada pelanggaran C- dan CP.
- Harus ada interaksi yang melanggar bilangan baryon.
Yang pertama mudah untuk diamati, karena alam semesta yang mengembang dan mendingin dengan partikel-partikel yang tidak stabil di dalamnya (dan antipartikel), menurut definisi, akan berada di luar kesetimbangan. Yang kedua juga sederhana, karena C-simetri (mengganti partikel dengan antipartikel) dan CP-simetri (mengganti partikel dengan antipartikel yang dipantulkan secara khusus) rusak dalam banyak interaksi lemah yang melibatkan quark yang aneh, terpesona, dan indah.
Pertanyaannya tetap bagaimana cara memecahkan nomor baryon. Kami telah mengamati secara eksperimental bahwa keseimbangan quark dengan antiquark dan lepton dengan antilepton terjaga dengan jelas. Tetapi dalam Model Standar fisika partikel, tidak ada hukum kekekalan eksplisit untuk besaran-besaran ini secara terpisah.
Dibutuhkan tiga quark untuk membuat sebuah baryon, jadi untuk setiap tiga quark kita tetapkan sebuah bilangan baryon (B) 1. Demikian pula, setiap lepton akan mendapatkan sebuah bilangan lepton (L) 1. Antiquark, antibaryon dan antileptons akan mempunyai bilangan B dan L. negatif.
Tetapi menurut aturan Model Standar, hanya perbedaan antara baryon dan lepton yang tersisa. Dalam keadaan yang tepat, Anda tidak hanya dapat membuat proton tambahan, tetapi juga elektron padanya. Keadaan pastinya tidak diketahui, tetapi Big Bang memberi mereka kesempatan untuk direalisasikan.
Tahap paling awal dari keberadaan Alam Semesta dijelaskan oleh energi yang sangat tinggi: cukup tinggi untuk membuat setiap partikel dan antipartikel yang diketahui dalam jumlah besar menurut rumus Einstein yang terkenal E = mc2. Jika penciptaan dan penghancuran partikel bekerja seperti yang kita pikirkan, alam semesta awal harus diisi dengan jumlah yang sama dari partikel materi dan antimateri yang saling berubah menjadi satu sama lain, karena energi yang tersedia tetap sangat tinggi.
Saat alam semesta mengembang dan mendingin, partikel-partikel yang tidak stabil, begitu tercipta dalam jumlah banyak, akan runtuh. Jika kondisi yang tepat terpenuhi - khususnya, tiga kondisi gula - hal ini dapat menyebabkan kelebihan materi dibandingkan antimateri, bahkan jika awalnya tidak ada. Tantangan bagi fisikawan adalah menciptakan skenario yang layak, konsisten dengan observasi dan eksperimen, yang dapat memberi Anda cukup materi berlebih daripada antimateri.
Ada tiga kemungkinan utama untuk kelebihan materi dibandingkan antimateri:
- Fisika baru pada skala electroweak dapat secara signifikan meningkatkan jumlah pelanggaran C- dan CP di alam semesta, yang akan menyebabkan asimetri antara materi dan antimateri. Interaksi SM (melalui proses sphaleron) yang melanggar B dan L secara individual (tetapi mempertahankan B - L) dapat menghasilkan volume baryon dan lepton yang diinginkan.
- Fisika neutrino berenergi tinggi baru yang diisyaratkan alam semesta dapat menciptakan asimetri fundamental lepton: leptogenesis. Sphalerons yang melestarikan B - L kemudian dapat menggunakan asimetri lepton untuk membuat asimetri baryon.
- Atau baryogenesis pada skala unifikasi besar, jika fisika baru (dan partikel baru) ada pada skala unifikasi besar, ketika gaya elektro-lemah digabungkan dengan yang kuat.
Skenario ini memiliki elemen yang sama, jadi mari kita lihat yang terakhir, hanya sebagai contoh, untuk memahami apa yang mungkin terjadi.
Jika teori penyatuan besar benar, pasti ada partikel baru yang sangat berat yang disebut X dan Y yang memiliki sifat seperti baryon dan mirip lepton. Juga harus ada pasangannya dari antimateri: anti-X dan anti-Y, dengan nomor B - L berlawanan dan muatan berlawanan, tetapi dengan massa dan masa pakai yang sama. Pasangan partikel-antipartikel ini dapat dibuat dalam jumlah besar dengan energi yang cukup tinggi untuk kemudian meluruh.
Jadi kita mengisi alam semesta dengan mereka, dan kemudian mereka hancur. Jika kita memiliki pelanggaran C dan CP, mungkin ada sedikit perbedaan bagaimana partikel dan antipartikel (X, Y dan anti-X, anti-Y) meluruh.
Jika partikel X memiliki dua jalur: meluruh menjadi dua kuark atas atau menjadi dua kuark anti-bawah dan positron, maka anti-X harus melalui dua jalur yang sesuai: dua kuark anti-naik atau kuark bawah dan elektron. Ada perbedaan penting yang dapat dibuat ketika C- dan CP rusak: X mungkin lebih mungkin meluruh menjadi dua kuark atas daripada anti-X menjadi dua kuark anti-up, sementara anti-X lebih cenderung meluruh menjadi kuark bawah dan elektron dari X - menjadi quark anti-up dan positron.
Jika Anda memiliki cukup pasangan dan pembusukan dengan cara ini, Anda dapat dengan mudah mendapatkan kelebihan barion dibandingkan antibarion (dan lepton dibandingkan antilepton) yang sebelumnya tidak ada.
Ini hanyalah satu contoh untuk menggambarkan pemahaman kita tentang apa yang terjadi. Kami mulai dengan alam semesta yang benar-benar simetris, mematuhi semua hukum fisika yang diketahui, dan dengan keadaan panas, padat, dan kaya yang diisi dengan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama. Melalui mekanisme yang belum kami tentukan, dengan mematuhi tiga kondisi Sakharov, proses alam ini pada akhirnya menciptakan materi berlebih daripada antimateri.
Fakta bahwa kita ada dan terbuat dari materi tidak dapat disangkal; pertanyaannya adalah mengapa alam semesta kita berisi sesuatu (materi) dan bukan tidak ada (lagipula, materi dan antimateri sama-sama terbagi). Mungkin di abad ini kita akan menemukan jawaban atas pertanyaan ini.
Ilya Khel
