¿Por qué el Big Bang no creó cantidades iguales de materia y antimateria?

La respuesta de Leo C. Stein es genial. Me gustaría exponer algunas ideas dentro de él.

Hay una suposición implícita en la pregunta de que las leyes de la naturaleza son intrínsecamente simétricas entre la materia y la antimateria. Esto se conoce como Simetría de conjugación de carga (C). Resulta que este no es el caso [1].

Si queremos que las leyes de la naturaleza comiencen en un estado simétrico entre la materia y la antimateria (una suposición muy razonable que se justifica en las teorías inflacionarias [2]), entonces también necesitamos que las leyes de la naturaleza sean diferentes. hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. Esto se conoce como Violación de simetría de inversión de tiempo (T). [3,4]

Finalmente, Big Bang Cosmology está fuera de equilibrio, lo que significa que el Universo se está enfriando. Esto significa que los procesos pueden congelarse y no alcanzar sus valores de equilibrio, lo que, por consideraciones entrópicas, es el mismo número de partículas y antipartículas.

Estos tres puntos se conocen como las Condiciones de Sakharov.

Si combina el hecho de que el Modelo Estándar de Física de Partículas no es simétrico entre partículas y antipartículas, no es invariable bajo reversiones de tiempo (tiene parámetros complejos [5]), y el Universo está fuera de equilibrio, puede ver cómo esto significa que no hay ninguna razón por la cual, incluso comenzando con un número igual de partículas y antipartículas, terminarás con un número igual de partículas y antipartículas.

El gran desafío para obtener la asimetría correcta es que el Modelo Estándar tiene una ruptura relativamente pequeña de la Simetría de Inversión del Tiempo y que el Universo nunca está lo suficientemente alejado del equilibrio en el Modelo Estándar de Física de Partículas [6]. Por lo tanto, esta es la razón por la bariogénesis es un tema abierto de investigación en física de alta energía y cosmología del universo temprano.

Notas al pie

[1] Sorprendentemente, la simetría de conjugación de carga ni siquiera es una simetría aproximada del modelo estándar de física de partículas. Esta simetría surge a bajas energías para convertirse en una muy buena aproximación en la electrodinámica cuántica y la cromodinámica cuántica; sin embargo, la teoría de Electroweak simplemente no es invariable bajo esta simetría.

[2] Ver Cosmología inflacionaria

[3] Existe un teorema de que cualquier teoría invariante de Lorentz siempre es invariable bajo la acción simultánea de Paridad (P) y Conjugación de carga y simetrías de inversión de tiempo: CPT (ver ¿Qué es el teorema de CPT?) . Por lo tanto, ser no invariante bajo T , es equivalente a ser no invariante bajo CP , que generalmente es lo que se afirma en las condiciones de Sakharov.

[4] Resulta que esto es equivalente a requerir que haya números imaginarios para los parámetros de la teoría. Esto es muy bueno, en mi opinión.

[5] Se han establecido muchos experimentos para medir los parámetros imaginarios del Modelo estándar, como BaBar y Belle (Experimentos de física).

[6] Existe la posibilidad de que durante la transición de fase de electroválvula, el universo pierda significativamente el equilibrio, pero esto se ve desfavorecido por los límites actuales en la masa de Higgs.