Странна нова частица на Хигс може да е откраднала антиматерията от Вселената

Защо във Вселената се вихри повече материя, отколкото нейната причудлива противоположност – антиматерия – и защо изобщо съществуваме? Това е една от най-озадачаващите загадки на съвременната физика.

По някакъв начин, когато Вселената е била невероятно млада, почти цялата антиматерия изчезва, оставяйки само „нормалната“ материя. Теоретиците отдавна търсят правдоподобното обяснение и още по-важното – начин да се тества това обяснение с експерименти.

Сега трио от теоретици предложи трио частици, наречени бозони на Хигс, да бъдат отговорни за загадъчния изчезващ акт на антиматерията във Вселената. И те мислят, че знаят как да намерят заподозрените виновници.

Почти при всяко взаимодействие между субатомните частици антиматерията (която е идентична с нормалната материя, но с противоположен заряд) и нормалната материя се произвеждат в еднаква степен. Изглежда, че това е в основата на симетрията във Вселената. И въпреки това, когато излизаме и разглеждаме същата тази Вселена, не намираме почти никаква антиматерия. Доколкото физиците сега могат да разберат, на всяка частица антиматерия, която все още е наоколо, има около милиард частици нормална материя, навсякъде в Космоса.

Тази мистерия е позната като асиметрията на материята. Досега никой не успява да даде съгласувано и последователно обяснение за господството на материята над антиматерията и тъй като работата на физиците е да обясняват как работи природата, липсата на обяснение започва да дразни.

Природата обаче сякаш е оставила някои улики около нас, за да направи пъзела още по-труден. Например, няма данни за много антиматерия в така наречения космически микровълнов фон – топлина, останала от Големия взрив и раждането на Вселената. А ранната Вселена е доста лудо място, с всевъзможни сложни и неразбрани от физиката неща. Така че, ако материята и антиматерията ще се разделят, това е бил най-подходящия момент да го направят.

Всъщност най-доброто време за изчезване на антиматерията е през кратката, но бурна епоха във Вселена, когато силите на природата се разделят, докато космосът се охлажда.

При високи енергии (като тези образувани вътре в Големия адронен колайдер), електромагнитната сила и слабата ядрена сила се комбинират, за да образуват нова сила: електрослабване, което управлява радиоактивното разпадане на атомите и молекулите. След като нещата се охладят и се върнат към нормалните ежедневни енергии обаче, електрослабването се разделя отново на познатите две сили.

При още по-високи енергии, като тези налични в първите моменти на Големия взрив, физиците смятат, че силната ядрена сила се слива с електрослабването, а при все по-високи енергии и гравитацията се присъединява към тях в една единна сила. Но все още не са разбрали как гравитацията влиза в играта.

Бозонът на Хигс, прогнозиран че съществува още през 60-те години на миналия век, но открит чак през 2012 г. в Големия адронен колайдер, върши работата по разделянето на електромагнитната сила от слабата ядрена сила. Физиците са почти сигурни, че разделянето на материя и антиматерия се е случило преди познатите четири сили на природата да се оформят и попаднат на мястото си. Това е така, защото днес физиците имат доста ясно разбиране за физиката на Вселената след разделянето на материя и антиматерия, но почти никакво за периода преди това. В цялата тази история, може би бозонът на Хигс играе важна роля.

За съжаление няма известен механизъм, използващ само бозона на Хигс, за да предизвика дисбаланс между материята и антиматерията.

За щастие обаче, историята на бозона на Хигс не е приключила. Физиците откриха единичен бозон на Хигс при експерименти с Големия адронен колайдер, който има маса от около 125 милиарда електронни волта, или GeV – за справка, протонът тежи около 1 GeV.

Предполага се, че този Хигс бозон може да не е сам. Напълно възможно е да има повече Хигс бозони, които плават наоколо, които са по-масивни от това, което можем да засечем в момента с нашите експерименти. В днешно време тези тежки Хигс бозони, ако съществуват, не биха направили много, поне не във физиката, която познаваме и до която можем да имаме достъп с нашите колайдери. Просто нямаме достатъчно енергия, за да ги „активираме“. Но в първите дни на Вселената, когато енергиите са били много, много по-високи, другите Хигс може да са били активирани и тези Хигс може да са предизвикали дисбаланс в някои основни взаимодействия на частици, което да е довело до съвременната асиметрия между материя и антиматерия.

В скорошна публикация в списание arXiv, трима физици предложиха интересно потенциално решение на мистерията: Може би, три бозона на Хигс (наричани „тройката на Хигс“) са играли играта с горещия картоф в ранната Вселена, генерирайки потоп от нормална материя. И така по-голямата част от този поток от материя би унищожил антиматерията, изваждайки я почти изцяло от съществуване в потока от радиация. При този сценарий ще остане достатъчно нормална материя, която да доведе до днешната Вселена, която познаваме и обичаме.

За да работи подобна схема, теоретиците предлагат триото да включва вече известната частица Хигс и двама новобранци, като всеки от тях има маса от около 1000 GeV. Това число е чисто произволно, но е било специално избрано, за да направи този хипотетичен Хигс потенциално откриваем при следващото поколение колайдери. Няма смисъл да се предсказва съществуването на частица, която никога не може да бъде открита.

Това вече е предизвикателство за физиците. Какъвто и механизъм да е причинил асиметрията, трябва да е дал предимство на материята пред антиматерията с коефициент от милиард към едно. При това е имал много кратък период от време в ранната Вселена, за да действа. След като силите се разделят, играта свършва, а физиката, каквато я знаем, вече е „заключена“. И този механизъм, включително двата нови Хигс бозона, трябва да бъде тестван.

Това разбираемо е много сложен процес, но всеобхватната (и теоретична) история е такава: Двата нови Хигс се разпадат на порой от частици с малко по-различно съотношение и с малко по-различни предпочитания към материята пред антиматерията. Тези разлики се натрупват с течение на времето и когато силата на електрослабване се раздели, има натрупана достатъчна разлика в броя на частици материя-антиматерия, намиращи се във Вселената, за да се окаже нормалната материя доминираща над антиматерията.

Със сигурност тази теория решава проблема с асиметрията, но веднага води до въпроса какво прави природата с толкова много бозони на Хигс. Но нека нещата се решават едно по едно…

Публикувано в списание Live Science.