Forklarer et univers bestående af stof

Universet består af en massiv ubalance mellem stof og antimateriale. Antimaterie og materie er faktisk det samme, men har modsatrettede afgifter, men der er næsten ingen antimateriale i det observerbare univers, herunder stjernerne og andre galakser. I teorien, der bør være store mængder antimateriale, men det observerbare univers er for det meste materie

"Vi er her, fordi der er mere stof end antimateriale i universet, "siger professor Jens Oluf Andersen ved Norges teknisk -naturvidenskabelige universitet (NTNU) Institut for Fysik. Denne store ubalance mellem stof og antimaterie er alt sammen håndgribeligt stof, herunder livsformer, eksisterer, men forskere forstår ikke hvorfor.

Fysik bruger en standardmodel til at forklare og forstå, hvordan verden hænger sammen. Standardmodellen er en teori, der beskriver alle de partikler, forskere kender. Det tegner sig for kvarker, elektroner, Higgs bosonpartiklen og hvordan de alle interagerer med hinanden. Men standardmodellen kan ikke forklare, at verden næsten udelukkende består af stof. Så der må være noget, vi ikke forstår endnu.

Når antimateriale og materie mødes, de tilintetgør, og resultatet er let og intet andet. I betragtning af lige store mængder stof og antimateriale, intet ville forblive, når reaktionen var afsluttet. Så længe vi ikke ved, hvorfor der findes mere stof, vi kan ikke vide, hvorfor byggestenene til noget andet findes, enten. "Dette er et af de største uløste problemer inden for fysik, «siger Andersen.

Forskere kalder dette "baryonasymmetri" -problemet. Baryoner er subatomære partikler, herunder protoner og neutroner. Alle baryoner har en tilsvarende antibaryon, hvilket er mystisk sjældent. Standardmodellen for fysik forklarer flere aspekter af naturkræfterne. Det forklarer, hvordan atomer bliver til molekyler, og det forklarer partiklerne, der udgør atomer.

"Standardmodellen for fysik omfatter alle de partikler, vi kender til. Den nyeste partikel, Higgs boson, blev opdaget i 2012 på CERN, siger Andersen. Med denne opdagelse, et vigtigt stykke faldt på plads. Men ikke den sidste. Standardmodellen fungerer perfekt til at forklare store dele af universet, så forskere er fascinerede, når noget ikke passer. Baryon asymmetri hører til i denne kategori.

Fysikere har deres teorier om, hvorfor der er mere stof, og dermed hvorfor vi unægtelig eksisterer. "En teori er, at det har været sådan siden Big Bang, "siger Andersen. Med andre ord, ubalancen mellem stof og antimateriale er en grundlæggende forudsætning, der har eksisteret mere eller mindre fra begyndelsen.

Kvarker er blandt naturens mindste byggesten. Et tidligt overskud af kvarker i forhold til antikvære blev formeret, da større enheder blev dannet. Men Andersen er ligeglad med denne forklaring. "Vi er stadig ikke tilfredse med den idé, fordi det ikke fortæller os meget, " han siger.

Så hvorfor var denne ubalance til stede fra begyndelsen? Hvorfor var kvarker oprindeligt flere end antikvarker? "I princippet, det er muligt at generere asymmetri inden for standardmodellen for fysik - det vil sige, forskellen mellem mængden af ​​stof og antimateriale. Men vi støder på to problemer, «siger Andersen.

Først og fremmest, forskere skal gå langt tilbage i tiden, til lige efter Big Bang, da alt startede - vi taler om 10 picosekunder, eller 10 ^-11 sekunder efter Big Bang.

Det andet problem er, at temperaturerne skal være omkring 1 billioner grader Kelvin, eller 10 ¹⁵ grader. Det er brændende - tænk på, at solens overflade kun er omkring 5700 grader. Uanset, det er ikke tilstrækkeligt at forklare baryonisk stof. "Det kan ikke fungere. I standardmodellen, vi har ikke nok stof, "Andersen siger." Problemet er, at springet i forventningsværdien af ​​Higgs -feltet er for lille, "tilføjer han til gavn dem, der kun har et minimum af fysik.

”Det er nok ikke kun vores fantasi, der sætter grænser, men der er mange muligheder "siger Andersen. Disse muligheder skal derfor arbejde sammen med standardmodellen." Det, vi virkelig leder efter, er en forlængelse af standardmodellen. Noget der passer ind i det. "

Hverken han eller andre fysikere tvivler på, at standardmodellen er rigtig. Modellen testes løbende hos CERN og andre partikelacceleratorer. Det er bare, at modellen endnu ikke er komplet. Andersen og hans kolleger undersøger forskellige muligheder for, at modellen kan passe til ubalancen mellem stof og antimateriale. De seneste resultater blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Rent faktisk, vi taler om faseovergange, "siger Andersen. Hans gruppe overvejer forandringsprocesser i stof, som vand, der bliver til damp eller is under skiftende forhold. De overvejer også, om sagen opstod som et resultat af en elektrisk svag faseovergang (EWPT) og dannede et overskud af baryoner lige efter Big Bang. Elektro svag faseovergang sker ved dannelse af bobler. Den nye fase udvides, lidt som vandbobler, og overtager hele universet.

Andersen og hans kolleger testede den såkaldte "to Higgs-dublet" -model (2HDM), en af ​​de enkleste udvidelser af standardmodellen. De søgte efter mulige områder, hvor de rigtige betingelser er til stede for at skabe stof. "Der eksisterer flere scenarier for, hvordan baryonasymmetrien blev oprettet. Vi studerede den elektriske svage faseovergang ved hjælp af 2HDM -modellen. Denne faseovergang finder sted i den tidlige fase af vores univers, «siger Andersen.

Processen kan sammenlignes med kogende vand. Når vandet når 100 grader Celsius, gasbobler dannes og stiger op. Disse gasbobler indeholder vanddamp, som er gasfasen. Vand er en væske. Når det overgår fra gasfasen til væskefasen i det tidlige univers under en proces, hvor universet ekspanderer og afkøles, der produceres et overskud af kvarker sammenlignet med antikvarker, genererer baryonasymmetri.

Sidst men ikke mindst, forskerne laver også matematik. For at modellerne kan fungere synkroniseret, parametre eller numeriske værdier skal passe, så begge modeller har ret på samme tid. Så arbejdet handler om at finde disse parametre. I den seneste artikel i Fysisk gennemgangsbreve , Andersen og hans kolleger indsnævrede det matematiske område, hvor stof kan skabes, og svarer samtidig til begge modeller. De har nu indsnævret mulighederne.

"For at den nye model (2HDM) matcher det, vi allerede kender fra CERN, for eksempel, parametrene i modellen kan ikke være hvad som helst. På den anden side, for at kunne producere nok baryonasymmetri, parametrene skal også ligge inden for et bestemt område. Så derfor forsøger vi at indsnævre parameterintervallet. Men det er stadig langt væk, "siger Andersen. Under alle omstændigheder, forskerne har gjort lidt fremskridt på vejen til at forstå, hvorfor vi og alt andet er her.