El universo tiene más materia que antimateria. Es una pregunta muy natural sobre por qué y cómo el Universo consiguió este estado de preferencia de la materia sobre la antimateria. Sakharov demostró que el Universo puede comenzar inicialmente con exactamente la misma cantidad de materia y antimateria, pero luego convertirse en un estado que tiene más de uno que el otro si se cumplen tres condiciones.
Estas tres condiciones son las siguientes. Las dos primeras son condiciones sobre la teoría fundamental de la naturaleza. El tercero es sobre las condiciones de la historia del Universo.
- Se viola el número de barión. El número bariónico es la suma del número de protones y neutrones de un objeto. Esencialmente, esto cuenta cuánta materia hay.
- La simetría de conjugación de carga, C, y los tiempos de conjugación de carga Paridad, CP, se violan. Estos esencialmente permiten que la teoría distinga entre materia y antimateria.
- El universo está fuera del equilibrio térmico. Esto significa que hay una dirección del tiempo que se puede medir microscópicamente. Si el Universo siempre estuvo en equilibrio térmico, los procesos que crean materia sobre la antimateria ocurrirían exactamente a la misma velocidad que los procesos que crean antimateria sobre la materia.
El modelo estándar de física de partículas combinado con la cosmología Big Bang satisface las tres condiciones.
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- Hay efectos conocidos como “sphalerons” que violan el número bariónico al intercambiar el número bariónico por el número leptón.
- La simetría de conjugación de carga ni siquiera es una simetría aproximada del modelo estándar (aunque es una simetría emergente). CP se viola debido a un número imaginario como parámetro fundamental en las interacciones débiles.
- La cosmología del Big Bang hace que el Universo se enfríe y evolucione hacia el equilibrio térmico.
Si toma lo que sabemos y trata de calcular cuánta materia debería estar alrededor, desafortunadamente encontrará que hoy hay demasiada materia. La cantidad operativa se conoce como la relación barión a fotón, que es el número de bariones dividido por el número de fotones en el Universo. Hemos medido este número como 10 ^ -10. El modelo estándar predice mucho más pequeño que esto. El primer problema para hacer que esto funcione es que la CP apenas se viola en el Modelo Estándar. La cantidad invariante se conoce como la invariante Jarleskog y termina siendo proporcional a las masas de los quarks ligeros, que son muy pequeños. Por lo tanto, la condición 2 apenas funciona y si queremos explicar esto, las condiciones 1 y 3 deben cumplirse fácilmente.
Sorprendentemente, solo hemos podido hacer una predicción recientemente porque depende de manera crucial de la masa de Higgs. Sin embargo, durante mucho tiempo hemos sabido que no iba a funcionar porque el Higgs tendría que haber tenido una masa inferior a 40 GeV (puede estar más cerca de 10 GeV) para que funcione y lo hemos sabido. No ha sido el caso durante al menos 20 años. La razón por la que depende tanto del Higgs es que el Universo está demasiado cerca del equilibrio durante la época en que los esfalerones están violando el número de barión (que ocurre a una temperatura de 100 GeV). En ese momento, el Universo pasa por la “transición de fase de electroflujo”, que es cuando las partículas pasan de no tener masa a ser masivas. Si el Higgs es ligero, el Universo en realidad se enfría y se deben formar burbujas para causar la transición de fase. Estas burbujas están masivamente fuera de condiciones de equilibrio térmico. Esto puede compensar el hecho de que CP solo se infringe un poco.
Cuando el Higgs se vuelve pesado, el Universo no se sobreenfría y la transición de la fase de electrodepresión es continua y está casi en equilibrio térmico a lo largo del tiempo (solo la expansión de Hubble se está creando fuera de las condiciones de equilibrio), por lo tanto, las condiciones 2 y 3 son muy pequeñas y nosotros terminar con una muy pequeña relación barión a fotón.
Entonces nos queda la situación en la que nuestra teoría actual de la naturaleza no explica esta pregunta fundamental sobre el Universo.
