W latach 20 XX wieku brytyjski fizyk teoretyk Paul Dirac udoskonalił równanie Schrödingera, tworząc równanie falowe opisujące elektron, które w przeciwieństwie do poprzedniego uwzględniało efekty Szczególnej Teorii Względności. Ku zaskoczeniu naukowca, równanie elektronu, zamiast posiadać dwa rozwiązania, dla każdego z dwóch możliwych spinów, rozwiązań posiadało aż cztery, dwa dodatkowe dla elektronu o dodatnim ładunku elektrycznym. Była to przesłanka do założenia, że taki stan elektronu mógłby teoretycznie być możliwy.

Po lewej Paul Dirac, brytyjski fizyk, który przewidział istnienie antymaterii. Po prawej Wolfgang Pauli oraz Rudolf Peierls, Birmingham.

W 1932 roku amerykański fizyk Carl Anderson doświadczalnie zaobserwował opisaną przez równanie Diraca cząstkę, która w polu elektromagnetycznym poruszała się zgodnie z przewidywaniami Diraca. Pierwszą odkrytą cząstkę antymaterii – antyelektron – nazwano pozytonem. Okazał się to dopiero wierzchołek góry lodowej, można by powiedzieć anty góry lodowej, ponieważ z czasem okazało się, że każda znana nam cząstka posiada swojego przeciwnego kompana. Kompana, który przeciwny ma nie tylko ładunek elektryczny, ale również wszystkie inne addytywne liczby kwantowe, takie jak liczba barionowa. Warto wspomnieć, że są cząstki, które wydawałoby się, że nie posiadają swojego odpowiednika, jak foton, kwant energii, ale jest tak za sprawą tego, że dla fotonu wszystkie addytywne liczby kwantowe wynoszą zero, co sprawia, że po zmianie znaku liczby te pozostają bez zmian i antyfoton jest nieodróżnialny od fotonu.

Anihilacja i kreacja

Cząstka i antycząstka przyciągają się do siebie, ponieważ mają przeciwne ładunki elektryczne. Co dzieje się, gdy antymateria zetknie się z koinomaterią (zwykłą materią)? Dochodzi do anihilacji, podczas której obie cząstki znikają. Jednak prawa fizyki obowiązują dalej, dlatego energia oraz pęd układu muszą zostać zachowane, dlatego anihilacja zazwyczaj wiąże się z emisją fotonów w taki sposób, by powstałe kwanty energii miały sumarycznie energię oraz pęd układu cząstka antycząstka. Dlaczego zazwyczaj? Ponieważ choć rzadkie, możliwe są inne wyniki anihilacji, takie jak powstanie nowej pary cząstka-antycząstka, która również zachowa energię oraz pęd poprzedników.

Co ważne, do anihilacji dochodzi tylko między cząstką i antycząstką tego samego typu, ponieważ różne typy cząstek mają różne liczby kwantowe. Gdyby możliwa była anihilacja elektronu z antyfotonem, po zniknięciu obu cząstek, z czego tylko jednej obdarzonej ładunkiem elektrycznym, sumaryczny ładunek układu uległby zmianie, co łamałoby zasadę zachowania ładunku elektrycznego. W przypadku zderzenia pozytonu z protonem nie dochodzi do anihilacji obu cząstek tylko zderzenia, którego efektem może być co najwyżej powstanie nowych cząstek z energii kinetycznej, która została zmniejszona podczas takiego zderzenia. Pozyton i proton nie anihilują.

Przeciwieństwem anihilacji jest kreacja. Gdy układ przemierza bardzo duży kwant energii, a dokładniej wynosi on przynajmniej masę przyszłego układu cząstka-antycząstka razy prędkość światła do kwadratu, może zamienić się w taki układ. Jest to reakcja dokładnie odwrotna do anihilacji, z kwantu energii tworzy się nowa para cząstki i antycząstki tego samego typu.

    \[ E_{\gamma} \geq mc^2 + mc^2 = 2mc^2\]

\ E_{\gamma} – energia fotonu
\ m – masa cząstki oraz antycząstki (są takie same)
\ c – prędkość światła

W rzeczywistości, dzięki zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, która w uproszczeniu można powiedzieć, że pozwala pożyczać określoną we wzorze energię na określony we wzorze czas, foton może posiadać znacznie mniejszą energię, by doszło do kreacji pary elektron-pozyton, natomiast ponieważ energia na utworzenie tych cząstek została pożyczona, musi zostać szybko zwrócona, więc para powstaje tak blisko siebie i z tak niewielką energią kinetyczną, że szybko ponownie się zapada przez oddziaływanie elektromagnetyczne i anihiluje, przywracając oryginalny foton.

    \[ \Delta E \cdot \Delta t \geq\displaystyle\frac{\hbar}{2}\]

\ \Delta E – nieoznaczoność energii
\ \Delta t – nieoznaczoność czasu
\ \hbar – stała Diraca

Interpretacja Feynmana

John Wheeler wraz z Richardem Feynmanem zauważył, że teoretycznie gdyby elektron wprawić w taki ruch po czasoprzestrzeni, by poruszał się po osi czasu w tył, obserwowalibyśmy go jako cząstkę o dodatnim ładunku elektrycznym. Po dokładniejszych obliczeniach okazało się, że nie da się odróżnić elektronu cofającego się w czasie od pozytonu. Według interpretacji Feynmana antymateria jest materią poruszającą się w tył w czasie. Takie założenie uczyniło proces anihilacji bądź kreacji elektronu i pozytonu bardziej intuicyjnym i pozwoliło fizykowi na stworzenie diagramów Feynmana – czytelnego sposobu zapisywania zjawisk w elektrodynamice kwantowej.

Diagram Feynmana przedstawiający anihilację elektronu z pozytonem w foton, a następnie kreację pary kwark-antykwark. Następnie antykwark wypuszcza gluon, kwant oddziaływania silnego. Oś na dole diagramu pokazuje kierunek upływu czasu.

Według interpretacji Feynmana, moment kreacji bądź anihilacji cząstki z antycząstką jest w rzeczywistości miejscem, w którym cząstka odbija się od fotonu i zawraca, zmienia swój kierunek poruszania się w czasie. To pozwala założyć, że wszystkie elektrony i pozytony we Wszechświecie są jedną, tą samą cząstką, która często zmienia swój kierunek poruszania się w czasoprzestrzeni, a ponieważ nie widzimy czterech wymiarów a zaledwie trzy, jesteśmy zależni od czasu, zamiast widzieć jedną cząstkę, która skacze po Wszechświecie, widzimy tylko aktualne fragmenty jej podróży, elektrony i pozytony. Taki model oznacza, że we Wszechświecie powinno być tyle samo elektronów co pozytonów, w końcu te zawsze powstają i znikają w parach.

Asymetria barionowa

Rzeczywistość, którą obserwujemy, wydaje się być jednak zgoła inna. Obserwacje antymaterii są utrudnione przez symetrię C (wartość bezwzględna ładunku elektrycznego elektronu i pozytonu są takie same, różni je tylko znak), która sprawia, że antymateria emituje promieniowanie w taki sam sposób, jak materia, a także to, że antymateria oddziałuje grawitacyjnie tak samo jak koinomateria, co wstępnie udało się stwierdzić w pierwszej połowie 2013 roku.

Mimo to są sposoby na poszukiwanie obszarów we Wszechświecie zbudowanych z antymaterii. Promieniowanie kosmiczne, które dociera do naszej planety, poza kwantami energii składa się prawie w całości z materii, co sugeruje, że nasza najbliższa okolica nie zawiera skupisk antymaterii.

Co z resztą Wszechświata? W miejscach, w których stykają się obszary zbudowane z antymaterii i materii, powinno dochodzić do masowej anihilacji, w wyniku której takie obszary graniczne powinny być możliwe do zaobserwowania. Pomimo ogromu obserwowalnego Wszechświata, kuli o średnicy prawie stu miliardów lat świetlnych, nie potrafimy znaleźć takich obszarów granicznych, nie znaleźliśmy też przypadku zderzenia galaktyki i antygalaktyki. Wszechświat wydaje się być zbudowany z samej materii. Ten niewyjaśniony dotąd problem nazywamy asymetrią barionową.

Bariogeneza

Naturalne jest, że Wszechświat powinien składać się z takiej samej ilości materii i antymaterii, ponieważ nie znamy ani jednego procesu, w którym mogłaby powstać materia, a nie powstałaby w parze z nią cząstka przeciwna. Liczba barionowa, która dla barionów takich jak proton wynosi jeden, a dla antybarionów minus jeden, wydaje się być zawsze zachowana, czyli kiedy powstają nowe cząstki, powstają również antycząstki, tak, że sumaryczna liczba barionowa układu pozostaje bez zmian.

Oznacza to, że są dwie możliwości wyjaśnienia obserwowanej nierównowagi: Wszechświat od samego początku był w nierównowadze, albo ta nierównowaga powstała w młodym Wszechświecie. Hipotezy idące drugą ścieżką w większości zakładają istnienie hipotetycznego okresu w historii młodego Wszechświata, zwanego erą bariogenezy.

Podczas bardzo krótkiej, trwającej mniej niż sekundę ery bariogenezy dochodziłoby do hipotetycznych procesów, podczas których proporcje materii do antymaterii delikatnie zmieniłyby się na korzyść tej pierwszej. Był to okres, w którym temperatura Wszechświata była tak duża, że fotony miały wystarczającą energię, by wszędzie dochodziło do spontanicznych kreacji par cząstka-antycząstka. W wyniku tego cząstek materii i antymaterii było wtedy miliony jeśli nie miliardy razy więcej, niż obecnie. W tak gorącym Wszechświecie wystarczyłoby, by jedna na kilkaset milionów cząstek zamieniła się w antycząstkę, by tak niewielka nierównowaga doprowadziła do obecnego stanu. Temperatura Wszechświata z czasem spadła do poziomu, poniżej którego fotony przestały mieć możliwość tworzyć nowe pary barion-antybarion z taką łatwością. Rozpoczęła się era hadronowa, podczas której anihilacja doprowadziła do zniknięcia i zamienia w fotony prawie wszystkie cząstki i antycząstki, pozostawiając tę materię, która była nadprogramowa i przez to nie miała swojej pary, z którą mogłaby anihilować. Według hipotezy bariogenezy ta miliardowa część całości, która w wyniku hipotetycznych procesów zmieniła stronę, jest dzisiaj praktycznie całym Wszechświatem.

Warunki Sacharowa

W 1967 roku rosyjski fizyk Andriej Sacharow opublikował pracę, w której przedstawił trzy warunki, które musiałby spełniać Wszechświat, by proces bariogenezy mógł wystąpić.

  1. Muszą istnieć oddziaływania, które łamałyby prawo zachowania liczby barionowej, czyli umożliwiające zaburzenie równowagi w proporcjach cząstki-antycząstki.
  2. Oddziaływania te muszą łamać symetrię C i CP, czyli nie mogą działać identycznie na materię i antymaterię. Prawdopodobieństwo zajścia zmiany antymaterii w materię powinno być większe od reakcji odwrotnej, by efekt obu się nie zrównał.
  3. Procesy bariogenezy muszą przebiegać w stanie odbiegającym od równowagi termodynamicznej, ponieważ w tych przebiegających w równowadze termodynamicznej prawdopodobieństwo procesów zależy tylko od energii różnych stanów. Masa cząstek i ich odpowiedników jest taka sama, dlatego taka równowaga spowodowałaby, że reakcji zamieniających materię w antymaterię byłoby tyle samo, co odwrotnych.

Ponieważ symetrię C oraz CP udało się już pół wieku temu złamać w przypadku oddziaływań słabych, a rozszerzający się Wszechświat nie był w stanie równowagi termodynamicznej, kluczowy jest punkt pierwszy. Do tej pory nie udało się zaobserwować reakcji, która łamałaby zasadę zachowania liczby barionowej.

Modele bariogenezy

Teoria wielkiej unifikacji (Great Unification Theory) zakłada połączenie oddziaływania silnego z elektrosłabym przy bardzo dużych energiach. Zunifikowane oddziaływanie nie zostało jeszcze potwierdzone eksperymentalnie, dlatego pozostaje hipotezą. Potwierdzić je mogłoby zaobserwowanie rozpadu protonu. Model bariogenezy GUT zakłada proces zamieniający pozyton w kwark za pomocą wymiany bozonu X lub Y i odwrotnie, co łamałoby zasadę zachowania liczby barionowej. Przed GUT jest jednak jeszcze długa droga do potwierdzenia doświadczalnego.

Jeden z diagramów Feynmana opisujących proces rozpadu protonu na pozyton i pion w modelu GUT, który łamałby zasadę zachowania liczby barionowej.

Oddziaływania elektrosłabe otwierają furtkę do zamiany pozytonu w proton. W 1976 roku holenderski fizyk Gerardus ’t Hooft znalazł rozwiązania równań pola, które do tego prowadzą, zwane sfaleronami. By do takiej przemiany doszło, potrzebna jest energia szacowana na 10 TeV. Niestety łamanie symetri C i CP w oddziaływaniach słabych jest za małe, by móc odpowiadać za całą bariogenezę, co oznacza, że by ten model mógł samodzielnie ją wyjaśniać, potrzebne jest odkrycie kolejnych odstęp od symetrii w tych oddziaływaniach.

Ostatni z dużych modeli wiąże asymetrię barionową z ciemną materią. Wiemy dziś, że około czterech, pięciu procent masy Wszechświata stanowi materia zaś około 23% to ciemna materia, której pochodzenie i właściwości od lata stanowią dla naukowców zagadkę. Hylogeneza zakłada, że ciemna materia również posiadałaby liczbę barionową i w wyniku pewnych procesów składała się w większym stopniu ze swoich przeciwnych odpowiedników o ujemnej liczbie barionowej, równoważąc asymetrię barionową.

W razie porażek wszystkich wymienionych modeli, możliwe jest, że Wszechświat po prostu powstał niesymetryczny i od początku miał dodatnią liczbę barionową i zawierał więcej cząstek od antycząstek.

Autor

Szymon Ryszkowski

Redaktor Naczelny Portalu Astronomicznego AstroNET, członek Klubu Astronomicznego Almukantarat. Autor gry planszowej Solar System Voyager.