Waarom ons universum wervelt met meer materie dan zijn bizarre tegenhanger antimaterie - en waarom we überhaupt bestaan - is een van de meest verbijsterende puzzels van de moderne fysica.
Op de een of andere manier, toen het universum ongelooflijk jong was, verdween bijna al het antimaterie en bleef alleen het normale spul achter. Theoretici hebben de altijd ongrijpbare uitleg lang gestalkt - en nog belangrijker, een manier om die uitleg te testen met experimenten.
Nu heeft een drietal theoretici voorgesteld dat een drietal deeltjes genaamd Higgs-bosonen verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de mysterieuze verdwijnende handeling van antimaterie in het universum. En ze denken dat ze de vermoedelijke boosdoeners weten te vinden.
Het geval van de ontbrekende antimaterie
In bijna elke afzonderlijke interactie tussen subatomaire deeltjes worden antimaterie (die identiek is aan normale materie maar met tegengestelde lading) en normale materie in gelijke mate geproduceerd. Het lijkt een fundamentele symmetrie van het universum te zijn. En toch, als we naar buiten gaan en naar datzelfde universum kijken, zien we nauwelijks antimaterie. Voor zover natuurkundigen kunnen zien, zijn er voor elk nog rondhangend deeltje antimaterie ongeveer een miljard deeltjes normale materie, overal in de kosmos.
Dit mysterie kent vele namen, zoals het materie-asymmetrieprobleem en het baryon-asymmetrieprobleem; ongeacht de naam, natuurkundigen zijn stomverbaasd. Tot nu toe heeft niemand een coherente, consistente verklaring kunnen geven voor de dominantie van materie over antimaterie, en aangezien het de taak van natuurkundigen is om uit te leggen hoe de natuur werkt, begint het irritant te worden.
De natuur liet echter wel wat aanwijzingen achter waar we over konden puzzelen. Er is bijvoorbeeld geen bewijs voor veel antimaterie op de zogenaamde kosmische microgolfachtergrond - warmte die overblijft na de oerknal, de geboorte van het universum. Dat suggereert dat de kappertjes in het zeer vroege heelal voorkwamen. En het vroege universum was een behoorlijk gekke plek, met allerlei gecompliceerde, slecht begrepen natuurkunde. Dus als materie en antimaterie gaan splitsen, is dat een goed moment om het te doen.
Geef de Higgs de schuld
In feite is de beste tijd om antimaterie te laten verdwijnen, tijdens het korte maar tumultueuze tijdperk in ons universum, toen de natuurkrachten uiteenspeelden terwijl de kosmos afkoelde.
Bij hoge energieën (zoals die in een deeltjesbotser), combineren de elektromagnetische kracht en de zwakke nucleaire kracht hun krachten om een nieuwe kracht te vormen: elektrozwak. Zodra de dingen afkoelen en terugkeren naar normale alledaagse energieën, splitst de electroweak zich op in de bekende twee krachten.
Bij nog hogere energieën, zoals die in de eerste momenten van de oerknal, denken we dat de sterke kernkracht samensmelt met de elektrozwakke, en bij nog hogere energieën voegt de zwaartekracht zich bij de partij tot een enkele verenigde kracht. Maar we weten nog niet helemaal hoe de zwaartekracht in het spel komt.
Het Higgs-deeltje, voorgesteld om te bestaan in de jaren zestig, maar pas in 2012 ontdekt in de Large Hadron Collider, doet het werk om de elektromagnetische kracht te scheiden van de zwakke kernkracht. Natuurkundigen zijn er vrij zeker van dat de splitsing van materie en antimaterie plaatsvond voordat alle vier de natuurkrachten op hun plaats vielen als hun eigen entiteiten; dat komt omdat we een vrij duidelijk begrip hebben van de fysica van het universum na de splitsing, en het toevoegen van te veel antimaterie in latere tijdperken is in strijd met waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond).
Als zodanig speelt misschien het Higgs-deeltje een rol.
Maar de Higgs kunnen het zelf niet knippen; er is geen mechanisme bekend dat alleen de Higgs gebruikt om een onevenwicht tussen materie en antimaterie te veroorzaken.
Gelukkig is het verhaal van de Higgs misschien nog niet voorbij. Natuurkundigen hebben in collider-experimenten een enkel Higgs-deeltje gevonden, met een massa van ongeveer 125 miljard elektronvolts, of GeV - ter referentie weegt een proton ongeveer 1 GeV.
Blijkt dat de Higgs misschien niet alleen zijn.
Het is heel goed mogelijk dat er meer Higgs-bosonen rondzweven die massiever zijn dan wat we momenteel in onze experimenten kunnen detecteren. Tegenwoordig zouden die heftiger Higgs, als ze bestaan, niet veel doen, niet echt deelnemen aan fysica waartoe we toegang hebben met onze botsers - We hebben gewoon niet genoeg energie om ze te "activeren". Maar in de begindagen van het universum, toen de energieën veel, veel hoger waren, hadden de andere Higgs geactiveerd kunnen zijn, en die Higgs hebben mogelijk een onevenwicht veroorzaakt in bepaalde fundamentele deeltjesinteracties, wat leidde tot de moderne asymmetrie tussen materie en antimaterie.
Het mysterie oplossen
In een recent artikel dat online is gepubliceerd in het preprint-tijdschrift arXiv, stelden drie natuurkundigen een interessante mogelijke oplossing voor: misschien speelden drie Higgs-bosonen (ook wel de "Higgs-trojka" genoemd) een spelletje hete aardappel in het vroege heelal, wat een vloedgolf van normale materie veroorzaakte . Wanneer materie antimaterie raakt - Poef - vernietigen de twee en verdwijnen ze.
En dus zou het grootste deel van die stroom materie het antimaterie vernietigen en het bijna volledig uit het bestaan doen verdwijnen in een vloed van straling. In dit scenario zou er genoeg normale materie over zijn om naar het huidige universum te leiden dat we kennen en waar we van houden.
Om dit te laten werken, stellen de theoretici voor dat het trio het ene bekende Higgs-deeltje en twee nieuwelingen omvat, waarbij elk van dit duo een massa heeft van ongeveer 1.000 GeV. Dit aantal is puur willekeurig, maar werd specifiek gekozen om deze hypothetische Higgs mogelijk vindbaar te maken met de volgende generatie deeltjesbotsers. Het heeft geen zin om het bestaan van een deeltje te voorspellen dat nooit kan worden gedetecteerd.
De natuurkundigen hebben dan een uitdaging. Welk mechanisme de asymmetrie ook veroorzaakt, het moet de materie een factor één miljard boven de antimaterie geven. En het heeft een zeer korte tijdsperiode in het vroege universum om zijn ding te doen; zodra de krachten zijn gesplitst, is het spel afgelopen en is de fysica zoals we die kennen op zijn plaats vergrendeld. En dit mechanisme, inclusief de twee nieuwe Higgs, moet testbaar zijn.
Het korte antwoord: ze konden het doen. Het is begrijpelijkerwijs een zeer gecompliceerd proces, maar het overkoepelende (en theoretische) verhaal gaat als volgt: de twee nieuwe Higgs vervallen in douches van deeltjes met iets verschillende snelheden en met iets andere voorkeuren voor materie dan antimaterie. Deze verschillen bouwen zich in de loop van de tijd op en wanneer de elektrozwakke kracht zich opsplitst, is er genoeg verschil in materie-antimaterie-deeltjespopulaties "ingebouwd" in het universum dat normale materie uiteindelijk de overhand krijgt over antimaterie.
Natuurlijk lost dit het baryon-asymmetrieprobleem op, maar leidt het meteen tot de vraag wat de natuur doet met zoveel Higgs-bosonen. Maar we gaan stap voor stap verder.
