¿Cuál fue el mecanismo que dejó un residuo de materia después de la aniquilación inicial de materia-materia en las primeras etapas del Universo?

Según la teoría, el Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria en el universo primitivo. Pero hoy, todo lo que vemos desde las formas de vida más pequeñas en la Tierra hasta los objetos estelares más grandes está hecho de materia. No hay mucha antimateria en ningún lugar del Universo. Algo debe haber sucedido para inclinar la balanza. Uno de los mayores desafíos en física es descubrir qué sucedió con la antimateria, o por qué vemos esta asimetría de materia / antimateria.

Somos conscientes de que la materia y las partículas de antimateria siempre se producen como un par y, si entran en contacto, se aniquilan entre sí, dejando energía pura. Los físicos creen que, durante las primeras fracciones de un segundo del Big Bang, el universo caliente y denso estaba lleno de pares de partículas y partículas que aparecían y desaparecían. Si la materia y la antimateria se crearon y destruyeron juntas, parece que el universo no debería contener nada más que la energía sobrante. Sin embargo, una pequeña porción de materia, estimada en aproximadamente una partícula por mil millones, logró sobrevivir. Esto es lo que vemos hoy. En las últimas décadas, los científicos han aprendido de los experimentos de física de partículas que las leyes de la naturaleza no se aplican por igual a la materia y la antimateria. Están ansiosos por descubrir los motivos.

En un estudio reciente publicado en Astrophysics and Space Science, Dragan Slavkov Hajdukovic, físico de Cetinje, Montenegro, que actualmente trabaja en el CERN en Ginebra, Suiza, describió un mecanismo que puede convertir la materia en antimateria (o viceversa) que resulta en un universo cíclico que está sucesivamente dominado por la materia y la antimateria. En este escenario, cuando un universo dominado por la materia colapsa, emerge un universo dominado por la antimateria, y el ciclo continúa indefinidamente.

Asimetría de materia / antimateria

Supongamos que en algún momento en el futuro, el universo deja de expandirse y, en cambio, comienza a colapsarse sobre sí mismo (esto se conoce como el escenario ” Gran Crujido “), y finalmente se convierte en un agujero negro supermasivo. La masa extrema del agujero negro produce un campo gravitacional extremadamente fuerte. A través de una versión gravitacional del llamado mecanismo de Schwinger , este campo gravitacional convierte los pares virtuales de partículas-antipartículas del vacío cuántico circundante en pares reales de partículas-antipartículas. (El efecto Schwinger es la producción no perturbativa de pares electrón-positrón cuando se aplica un campo eléctrico externo al vacío electrodinámico cuántico).

Si el agujero negro está hecho de materia, podría repeler violentamente miles de millones de partículas de antimateria en el espacio en una fracción de segundo, creando un evento de eyección que se parecería bastante a un Big Bang. Y si el agujero negro está hecho de antimateria, puede ocurrir lo contrario. Esto se conoce como el UNIVERSO CÍCLICO.

La idea de un universo cíclico no es nueva. La teoría del universo cíclico es un modelo de evolución cósmica según el cual el universo experimenta ciclos interminables de expansión y enfriamiento, cada uno de los cuales comienza con un “big bang” y termina en un “gran crujido”. Como Hajdukovic señala en su artículo, en 1922 el cosmólogo Alexander Friedmann (1888-1925), un físico ruso notó que la teoría de la relatividad general de Einstein es compatible con el marco de un universo cíclico. Más recientemente, los modelos cíclicos han incluido la gravedad cuántica de bucles, las teorías del mundo nuevo y otros modelos de “Big Bounce”. Sin embargo, a diferencia del escenario de Hajdukovic, en todos esos modelos, todos los ciclos están dominados por la materia. Como explica Hajdukovic, no está ofreciendo un nuevo modelo cíclico del universo, sino simplemente un mecanismo que, en principio, podría haber permitido la transición de un universo dominado por la materia a un universo dominado por la antimateria, y viceversa.

El escenario ofrece una explicación simple para la asimetría materia-antimateria: la razón de que nuestro universo actual esté dominado por la materia en lugar de la antimateria es que el universo anterior estaba dominado por la antimateria. Y el próximo, una vez más, estará dominado por la antimateria.

Este es un problema no totalmente resuelto; se llama ‘bariogénesis’. La expansión del universo ocurre a un ritmo que no puede mantenerse el equilibrio en el barión: la asimetría del antibiótico. Esto sucedió en algún momento dentro de la primera millonésima de segundo. Tiene que haber cierta asimetría, no conservación en la PC (carga y paridad), así como el número bariónico.

Un premio Nobel probablemente espera una solución definitiva y con soporte de observación.

Una propuesta es que es un resultado tan pronto como la época inflacionaria.

“Bariogénesis del campo inflatón

  • Mark P. Hertzberg ,
  • Johanna Karouby

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doi: 10.1016 / j.physletb.2014.08.021

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Resumen

En esta carta mostramos que el inflatón puede generar la asimetría cosmológica del barión. Consideramos que el inflatón es un campo escalar complejo con una simetría global débilmente rota y desarrollamos una nueva variante en el mecanismo Affleck-Dine. La fase inflacionaria está impulsada por un potencial cuadrático cuya amplitud de los modos B está de acuerdo con los datos de BICEP2. Mostramos que se produce un número de partículas conservadas en la última etapa de la inflación, que luego puede descomponerse en bariones. Presentamos incrustaciones prometedoras en la física de partículas, incluido el uso de operadores de alta dimensión para la descomposición o el uso de un inflatón coloreado. También señalamos las consecuencias de observación, incluida la predicción de las fluctuaciones de isocurvatura, cuya amplitud está justo por debajo de los límites actuales, y un posible dipolo a gran escala.

En mi opinión, nadie lo sabe. Suponemos que la materia se condensó a partir de un “plasma” de energía extrema (las comillas porque no se me ocurre una palabra mejor, pero no es exactamente apropiada) y por alguna razón se produjo una asimetría. Stephen Perrenod produjo una referencia proponiendo que provenía de un campo de inflaton, pero eso presume que hubo una inflación tan rápida, Y hubo un equilibrio que no se pudo alcanzar. Este es un modelo que hace muchas suposiciones, por lo que puede ser correcto o no. Se observa una violación de la paridad de los cargos (consulte la violación de la paridad de los cargos en Wikipedia) para que la simetría no sea absoluta, y generalmente se acepta que de alguna manera eso condujo al predominio de la materia. Exactamente cómo y cuándo aún no se ha determinado firmemente, al menos en mi opinión. Un problema es que las pocas observaciones de violaciones de CP que tenemos no parecen haber dejado una pista clara, por lo que hay margen para más trabajo.

Echa un vistazo a la respuesta de Stephen para obtener detalles excelentes.

Por supuesto, se podría argumentar que la materia y la antimateria no se “comportan” de manera idéntica (a la “técnica de seguimiento de partículas”).

Me pregunto si alguien ha podido producir suficiente antimateria para girar alrededor del LHC.

rafe

Ninguna de las respuestas hasta ahora mencionó el estado actual del arte establecido: aquí hay un enlace al artículo de Wikipedia: Baryogenesis. No repetiré los argumentos presentados en el artículo, solo quiero mencionar que la asimetría minúscula bariónica, una parte en mil millones, es suficiente para dejarnos en el universo que conocemos ahora.