โดย Paul Sutter เผยแพร่ 24 กันยายน 2019 เว็บตรง ทําไมจักรวาลของเราจึงหมุนวนไปด้วยสสารมากกว่าปฏิสสารคู่ที่แปลกประหลาดของมันเป็นหนึ่งในปริศนาที่น่างวยที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่
(เปิดในแท็บใหม่)
(เปิดในแท็บใหม่)
(เปิดในแท็บใหม่)
(เปิดในแท็บใหม่)
(เปิดในแท็บใหม่)
When the universe was very young, almost all of the antimatter disappeared. And physicists don’t know why.
เมื่อจักรวาลยังเด็กมากปฏิสสารเกือบทั้งหมดก็หายไป และนักฟิสิกส์ก็ไม่รู้ว่าทําไม (เครดิตภาพ: ธนพลสินสรัง/iStock/เก็ตตี้อิมเมจพลัส)
เหตุใดจักรวาลของเราจึงหมุนวนไปด้วยสสารมากกว่าปฏิสสารคู่ที่แปลกประหลาด — และทําไมเราถึงมีอยู่จริง — เป็นหนึ่งในปริศนาที่น่างวยที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่
อย่างใดเมื่อจักรวาลยังเด็กอย่างไม่น่าเชื่อปฏิสสารเกือบทั้งหมดก็หายไปเหลือเพียงสิ่งปกติ นักทฤษฎีได้สะกดรอยตามคําอธิบายที่เข้าใจยากมานานแล้ว และที่สําคัญกว่านั้นคือวิธีทดสอบคําอธิบายนั้นด้วยการทดลอง
ตอนนี้นักทฤษฎีทั้งสามคนได้เสนอว่าอนุภาคสามชนิดที่เรียกว่า Higgs bosons อาจรับผิดชอบต่อการกระทําที่หายไปอย่างลึกลับของปฏิสสารในจักรวาล และพวกเขาคิดว่าพวกเขารู้วิธีหาผู้กระทําผิดที่น่าสงสัย
ลิงก์ผู้สนับสนุน
ติดปีกให้ธุรกิจ ง่าย ครบ จบ ในแอปเดียว โอนต่างประเทศได้ 24 ชั่วโมง 16 สกุลเงิน
Krungthai Business ง่าย ครบ จบ ในแอปเดียว
ที่เกี่ยวข้อง: นอกเหนือจาก Higgs: 5 อนุภาคที่เข้าใจยากที่อาจแฝงตัวอยู่ในจักรวาล
กรณีของปฏิสสารที่หายไป
ในเกือบทุกปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคย่อยอะตอมปฏิสสาร (ซึ่งเหมือนกับสสารปกติ แต่มีประจุตรงข้าม) และสสารปกติจะถูกผลิตในการวัดที่เท่ากัน ดูเหมือนจะเป็นความสมมาตรพื้นฐานของจักรวาล แต่เมื่อเราออกไปดูจักรวาลเดียวกันนั้นเราแทบจะไม่เห็นปฏิสสารเลย เท่าที่นักฟิสิกส์สามารถบอกได้สําหรับทุกอนุภาคของปฏิสสารที่ยังคงแขวนอยู่รอบ ๆ มีอนุภาคประมาณหนึ่งพันล้านอนุภาคของสสารปกติทั่วจักรวาล
ความลึกลับนี้มีหลายชื่อเช่นปัญหาความไม่สมดุลของเรื่องและปัญหาความไม่สมดุลของบารีออน โดยไม่คํานึงถึงชื่อก็มีนักฟิสิกส์นิ่งงัน ณ ตอนนี้ไม่มีใครสามารถให้คําอธิบายที่สอดคล้องกันและสอดคล้องกันสําหรับการครอบงําของสสารเหนือปฏิสสารและเนื่องจากเป็นหน้าที่ของนักฟิสิกส์ที่จะอธิบายว่าธรรมชาติทํางานอย่างไรจึงเริ่มระคายเคือง
ที่เกี่ยวข้อง: 18 ความลึกลับที่ยังไม่คลี่คลายที่ใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์
อย่างไรก็ตามธรรมชาติได้ทิ้งเบาะแสบางอย่างไว้ให้เราไขปริศนา ตัวอย่างเช่น ไม่มีหลักฐานสําหรับปฏิสสารจํานวนมากปรากฏขึ้นในสิ่งที่เรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล — ความร้อนที่เหลือจากบิกแบง ซึ่งเป็นการกําเนิดของจักรวาล นั่นแสดงให้เห็นว่าเคเปอร์เกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรกๆ และจักรวาลยุคแรกๆ ก็เป็นสถานที่ที่ค่อนข้างบ้าคลั่ง ด้วยฟิสิกส์ที่ซับซ้อนและเข้าใจได้ไม่ดีทุกประเภทเกิดขึ้น ดังนั้นหากสสารและปฏิสสารกําลังจะแตกแยกนั่นเป็นเวลาที่ดีที่จะทํา
ตําหนิพวกฮิกส์
ในความเป็นจริงเวลาที่ดีที่สุดสําหรับปฏิสสารที่จะหายไปคือในช่วงยุคสั้น ๆ แต่วุ่นวายในจักรวาลของเราเมื่อพลังของธรรมชาติแยกออกจากกันเมื่อจักรวาลเย็นลง
ที่พลังงานสูง (เช่นเดียวกับที่อยู่ภายในคอลลิเดอร์อนุภาค) แรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอจะรวมพลังของพวกเขาเข้าด้วยกันเพื่อสร้างแรงใหม่: อิเล็กโทรวีค เมื่อสิ่งต่าง ๆ เย็นลงและกลับสู่พลังงานปกติในชีวิตประจําวันอย่างไรก็ตาม electroweak จะแยกออกเป็นสองแรงที่คุ้นเคย
ด้วยพลังงานที่สูงขึ้นเช่นเดียวกับที่พบในช่วงเวลาแรกของบิกแบงเราคิดว่าพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งผสานกับอิเล็กโทรวีคและด้วยพลังงานที่สูงขึ้นแรงโน้มถ่วงจะรวมพรรคเข้าด้วยกันเป็นพลังเดียว แต่เรายังไม่ได้คิดเลยว่าแรงโน้มถ่วงจะเข้ามาในเกมได้อย่างไร
Higgs boson ซึ่งเสนอให้มีอยู่ในทศวรรษ 1960 แต่ไม่ได้ค้นพบจนกระทั่งปี 2012 ภายใน Large Hadron Collider ทํางานเพื่อแยกแรงแม่เหล็กไฟฟ้าออกจากแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ นักฟิสิกส์ค่อนข้างมั่นใจว่าการแยกสสารปฏิสสารเกิดขึ้นก่อนที่พลังธรรมชาติทั้งสี่จะเข้าที่ในฐานะหน่วยงานของตนเอง นั่นเป็นเพราะเรามีความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับฟิสิกส์ของจักรวาลหลังการแยกตัวและการเพิ่มปฏิสสารมากเกินไปในยุคต่อมาเป็นการละเมิดการสังเกตพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล)
ด้วยเหตุนี้บางทีฮิกส์โบสันอาจมีบทบาท
แต่พวกฮิกส์เองก็ไม่สามารถตัดมันได้ ไม่มีกลไกที่รู้จักโดยใช้เพียง Higgs เพื่อทําให้เกิดความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสาร
โชคดีที่เรื่องราวของฮิกส์อาจยังไม่จบ นักฟิสิกส์ได้พบ Higgs boson เดียวในการทดลอง collider โดยมีมวลประมาณ 125 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์หรือ GeV – สําหรับการอ้างอิงโปรตอนมีน้ําหนักประมาณ 1 GeV
ปรากฎว่าฮิกส์อาจไม่ได้อยู่คนเดียว
เป็นไปได้ทั้งหมดที่จะมี Higgs bosons ลอยอยู่รอบ ๆ ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าที่เราสามารถตรวจจับได้ในการทดลองของเราในปัจจุบัน ทุกวันนี้ Higgs ที่หนักกว่านั้นหากมีอยู่จริงจะไม่ทําอะไรมากไม่ได้มีส่วนร่วมในฟิสิกส์ใด ๆ ที่เราสามารถเข้าถึงได้ด้วยชนของเรา – เราไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะ “เปิดใช้งาน” พวกเขา แต่ในยุคแรก ๆ ของจักรวาลเมื่อพลังงานสูงขึ้นมากฮิกส์อื่น ๆ อาจถูกเปิดใช้งานและฮิกส์เหล่านั้นอาจทําให้เกิดความไม่สมดุลในปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคพื้นฐานบางอย่างซึ่งนําไปสู่ความไม่สมดุลที่ทันสมัยระหว่างสสารและปฏิสสาร
ปิด
ไขปริศนา
ในบทความล่าสุดที่ตีพิมพ์ทางออนไลน์ในวารสาร preprint arXiv นักฟิสิกส์สามคนเสนอวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ที่น่าสนใจ: บางที Higgs bosons สามคน (ขนานนามว่า “Higgs Troika”) เล่นเกมมันฝรั่งร้อนในจักรวาลยุคแรกทําให้เกิดน้ําท่วมของสสารปกติ เมื่อสสารสัมผัสกับปฏิสสาร – Poof – ทั้งสองทําลายล้างและหายตัวไป
ดังนั้นกระแสสสารส่วนใหญ่นั้นจะทําลายล้างปฏิสสารทําให้พวกมันล้นหลามจนเกือบหมดสภาพในรังสีที่ท่วมท้น ในสถานการณ์นี้จะมีสสารปกติเหลืออยู่มากพอที่จะนําไปสู่จักรวาลในปัจจุบันที่เรารู้จักและรัก
โฆษณา
เพื่อให้งานนี้นักทฤษฎีเสนอทั้งสามคนรวมถึงอนุภาคฮิกส์ที่รู้จักและมือใหม่สองคนโดยแต่ละคู่นี้มีมวลประมาณ 1,000 GeV ตัวเลขนี้เป็นไปตามอําเภอใจอย่างหมดจด แต่ได้รับเลือกมาเป็นพิเศษเพื่อให้ฮิกส์สมมุติฐานนี้สามารถค้นพบได้กับชนกันของอนุภาครุ่นต่อไป ไม่มีประโยชน์ที่จะทํานายการมีอยู่ของอนุภาคที่ไม่สามารถตรวจจับได้
นักฟิสิกส์จึงมีความท้าทาย กลไกใดก็ตามที่ทําให้เกิดความไม่สมดุลจะต้องให้สสารได้เปรียบเหนือปฏิสสารด้วยปัจจัยหนึ่งพันล้านต่อหนึ่ง และมันมีช่วงเวลาสั้น ๆ ในจักรวาลยุคแรกๆ ที่จะทําในสิ่งนั้น เมื่อกองกําลังแตกเกมจะจบลงและฟิสิกส์อย่างที่เรารู้ว่ามันถูกล็อคเข้าที่ และกลไกนี้รวมถึง Higgs ใหม่ทั้งสองจะต้องทดสอบได้
คําตอบสั้น ๆ : พวกเขาสามารถทําได้ เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมาก แต่เรื่องราวที่ครอบคลุม (และทฤษฎี) เป็นเช่นนี้: ฮิกส์ใหม่สองตัวสลายตัวเป็นฝักบัวของอนุภาคในอัตราที่แตกต่างกันเล็กน้อยและมีความชอบที่แตกต่างกันเล็กน้อยสําหรับสสารมากกว่าปฏิสสาร ความแตกต่างเหล่านี้สร้างขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปและเมื่อแรงอิเล็กโทรวีคแยกตัวขึ้นมีความแตกต่างเพียงพอในประชากรอนุภาคสสาร – ปฏิสสาร “สร้างขึ้นใน” กับจักรวาลที่สสารปกติจบลงด้วยการครอบงําเหนือปฏิสสาร
แน่นอนว่านี่เป็นการแก้ปัญหาความไม่สมดุลของแบริออน แต่นําไปสู่คําถามทันทีว่าธรรมชาติกําลังทําอะไรกับ Higgs bosons จํานวนมาก แต่เราจะทําสิ่งต่าง ๆ ทีละขั้น
12 วัตถุที่แปลกประหลาดที่สุดในจักรวาล
จากบิ๊กแบงสู่ปัจจุบัน: ภาพรวมของจักรวาลของเราผ่านกาลเวลา
11 คําถามที่ใหญ่ที่สุดที่ยังไม่ได้รับคําตอบเกี่ยวกับสสารมืด
เผยแพร่ครั้งแรกใน วิทยาศาสตร์สด.
Paul Sutter
พอล ซัทเทอร์
(เปิดในแท็บใหม่)
(เปิดในแท็บใหม่)
(เปิดในแท็บใหม่)
นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์
Paul M. Sutter เป็นศาสตราจารย์วิจัยด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ SUNY Stony Brook University และสถาบัน Flatiron ในนิวยอร์กซิตี้ เขาปรากฏตัวเป็นประจําในทีวีและพอดแคสต์ รวมถึง “ถามนักบินอวกาศ” เขาเป็นผู้เขียนหนังสือสองเล่มคือ “สถานที่ของคุณในจักรวาล” และ “วิธีการตายในอวกาศ” และเป็นผู้สนับสนุนประจําของ Space.com วิทยาศาสตร์สดและอื่น ๆ พอลได้รับปริญญาเอกด้านฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่ Urbana-Champaign ในปี 2011 และใช้เวลาสามปีที่สถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งปารีสตามด้วยทุนวิจัยใน Trieste ประเทศอิตาลี เว็บตรง
