Z kilku podstawowych symetrii powstają znane nam prawa fizyki. Na przykład możliwość przeniesienia eksperymentu lub interakcji w przestrzeni i uzyskania tego samego wyniku prowadzi do zasady zachowania pędu. Ale jedna z tych symetrii, symetria odbicia, nie zawsze jest przestrzegana. Symetria odbicia występuje, gdy patrzysz na lustrzane odbicie fizycznej reakcji. W prawie wszystkich przypadkach uzyskasz dokładnie ten sam wynik. Na przykład, jeśli podrzucisz piłkę w powietrze i złapiesz ją, w lustrze wygląda to dokładnie tak samo – grawitacja uwzględnia symetrię odbicia.

Ale nie dotyczy to wszystkich sił. Naruszeniem symetrii odbicia, znanej również jako symetria lustrzana, symetria względem przekształcenia P lub parzystość, jest oddziaływanie słabe. Ilekroć oddziaływanie słabe jest zaangażowana w jakąś interakcję cząstek, lustrzane odbicie tej interakcji będzie wyglądać inaczej. Klasyczny eksperyment, w którym jako pierwszy wykryto ten efekt, wykazał, że kiedy radioaktywna wersja kobaltu rozpada się, emitowany przez nią elektron woli iść w jednym kierunku (w szczególności przeciwnie do kierunku spinu kobaltu), a nie w jakimkolwiek przypadkowym kierunku. Jeśli słaba siła jądrowa zachowuje symetrię odbicia, to te elektrony nie powinny „wiedzieć”, który kierunek jest który i wyskakiwać, gdziekolwiek chcą.

Fizycy nie mają pojęcia, dlaczego symetria odbicia jest złamana w naszym wszechświecie, więc niektórzy zaproponowali radykalne wyjaśnienie: może wcale nie jest złamana, a my po prostu patrzymy na wszechświat w niewłaściwy sposób.

Możemy uratować symetrię lustrzaną, jeśli uznamy istnienie dodatkowych cząstek. Wiele dodatkowych cząstek – lustrzaną kopię każdej pojedynczej cząstki. Elektrony lustrzane, neutrony lustrzane, fotony lustrzane, bozony Z lustrzane i tak dalej.

Inne nazwy materii lustrzanej to „materia cienia” i „materia Alicji”. Wprowadzając materię lustrzaną, symetria odbicia zostaje zachowana we wszechświecie: zwykła materia oddziałuje lewoskrętnie, a materia lustrzana – prawoskrętnie. Wszystko synchronizuje się na poziomie matematycznym, kosztem dodania nowych cząstek do modelu.

Gwiazdy neutronowe

Ale jak naukowcy mogą przetestować ten radykalny pomysł? Oddziaływanie słabe jest naprawdę bardzo słabe, więc nawet gdyby wszechświat został zalany cząstkami lustrzanymi, różnice byłyby ledwo wykrywalne.

Wiele eksperymentów skupiało się na cząstkach neutralnych, takich jak neutrony, ponieważ są one neutralne elektromagnetycznie, co czyni je łatwiejszymi celami badań. Poszukiwania lustrzanych neutronów jeszcze niczego nie przyniosły, ale naukowcy nie tracą nadziei. Fizycy teoretyczni przewidują, że bardzo silne pole grawitacyjne może wzmocnić interakcje między neutronami i neutronami lustrzanymi. Na szczęście natura stworzyła bardzo dobre urządzenie eksperymentalne do poszukiwania materii lustrzanej: gwiazdy neutronowe.

Gwiazdy neutronowe to zasadniczo jądra atomowe wielkości miasta, złożone z pojedynczych neutronów ściśniętych razem tak ciasno, jak to tylko możliwe.

Przy tej niesamowitej obfitości neutronów w połączeniu z ekstremalnym polem grawitacyjnym z pewnością będą się dziać dziwne rzeczy. Jedną z nich, jak sugerują nowe badania z grudnia 2020 r., jest to, że neutrony czasami zmieniają się w swoje lustrzane odpowiedniki.

Kiedy neutron zamienia się w neutron lustrzany, dzieje się kilka rzeczy. Neutron lustrzany nadal znajduje się wewnątrz gwiazdy, jest związany grawitacyjnie i dlatego nie może nigdzie uciec, ale neutrony lustrzane nie uczestniczą w niektórych interakcjach, które naukowcy wykrywają w gwiazdach neutronowych. To jak pójście na zatłoczony mecz piłki nożnej i powolne zastępowanie kibiców tekturowymi wycięciami: stadion jest nadal wypełniony, ale energia znika.

Gdy neutrony powoli przekształcają się w neutrony lustrzane, gwiazda kurczy się. Przy stosunku 1:1 zwykłych neutronów do neutronów lustrzanych gwiazda neutronowa jest o około 30% mniejsza.

Gwiazdy neutronowe mogą wytrzymać zgniatający ciężar własnej grawitacji dzięki kwantowemu procesowi zwanemu ciśnieniem degeneracji. Ale to ciśnienie ma granicę, a przy mniejszej liczbie zwykłych neutronów, granica się zmniejsza. Gdyby gwiazda miała stosunek zwykłych neutronów do neutronów zwierciadlanych 1:1, maksymalna masa gwiazd neutronowych we Wszechświecie byłaby o około 30% mniejsza, niż normalnie byśmy się spodziewali. Gwiazdy neutronowe przekraczające granicę, zapadają się w czarne dziury.

Naukowcy zaobserwowali gwiazdy neutronowe większe od nowej, mniejszej granicy, co na pierwszy rzut oka może oznaczać, że materia lustrzana to ślepy zaułek i musimy znaleźć inne wytłumaczenie naruszenia symetrii odbicia. Natomiast sprawa nie jest zamknięta: nie mamy pojęcia, jak długo może trwać proces zmiany neutronów. Możliwe, że gwiazdy neutronowe miały za mało czasu na dokonanie zmiany składu.

Źródła:

Autor

Szymon Ryszkowski

Redaktor naczelny portalu AstroNET, członek Klubu Astronomicznego Almukantarat.