Największe zagadki fizyki [cz. 7]. Czym jest barionowa asymetria?

Klasyczna fizyka każe nam wierzyć, że po Wielkim Wybuchu świat rozszerzał się w sposób homogeniczny. Zgodnie z obowiązującym modelem materia oraz antymateria (rozłożone po równo) powinny wzajemnie się znieść, a świat stać się kosmicznym morzem fotonów bez materii. Dlaczego więc tak nie jest? Czy kiedyś we wszechświecie zawieszono prawa fizyki?

Klasyczna fizyka każe nam wierzyć, że po Wielkim Wybuchu świat rozszerzał się w sposób homogeniczny. Zgodnie z obowiązującym modelem materia oraz antymateria (rozłożone po równo) powinny wzajemnie się znieść, a świat stać się kosmicznym morzem fotonów bez materii. Dlaczego więc tak nie jest? Czy kiedyś we wszechświecie zawieszono prawa fizyki?

Barionowa asymetria

Czym są bariony? To cząstki elementarne należące do rodziny silnie oddziałujących fermionów. Jest to również podrodzina cząstek o zbiorczej nazwie hadrony. Nazwy tej nie należy się bać, bo określa ona coś, co wszyscy doskonale znamy. Barionami są na przykład protony i neutrony.

Barionowa asymetria to pojęcie opisujące pewną nierówność. Otóż nie dosyć, że materia i antymateria (czyli np. protony i antyprotony) nie zniosły się wzajemnie, to jeszcze w znanym wszechświecie bywa tak, że jednych jest więcej, a drugich mniej. Na przykład w naszej swojskiej Grupie Lokalnej więcej jest materii niż antymaterii. Ba, wygląda na to, że większość wszechświata składa się z materii, a struktur zbudowanych z antymaterii nie ma.

Bo gdyby istniały np. antygalaktyki i zderzały się z galaktykami, to wydzielone promieniowanie z takiego spotkania byłoby dla nas widoczne (i to bardzo...). Dałoby się także zaobserwować obszary graniczne między "terytorium" zajmowanym przez przeciwne obozy. Na takim swoistym froncie zachodziłaby anihilacja cząstek. Gdzie się więc podziała antymateria i dlaczego materia nie podążyła jej śladem? Czy dla tych przeciwieństw zachodzą inne prawa fizyki?

Czy dystans jest odpowiedzią?

Do dziś nie wiemy, dlaczego zaszła barionowa asymetria. Nie jest w stanie jej wyjaśnić fizyka modelu standardowego ani też ogólna teoria względności. Problem ten wpisuje się nieco w inną zagwozdkę fizyczną (niehomogeniczność wszechświata), o której pisałem w jednym z pierwszych odcinków. Właśnie z racji tej niehomogeniczności jedną z najczęściej wysuwanych hipotez jest twierdzenie o skupiskach materii i antymaterii.

Otóż materia może dominować w jednym zakątku wszechświata, a antymateria w drugim. Oba te obszary są od siebie tak oddalone, że nie komunikują się ze sobą i nie wchodzą w interakcję. Czy tak jest na pewno? Stwierdzenie tego wymagałoby umiejętności obserwacji antymaterii, a to jest na razie bardzo problematyczne, bo antymateria emituje takie same fotony jak materia. Tylko wspomniane obszary graniczne pozwoliłyby na detekcję antymaterii. Takie obszary nie zostały jednak zaobserwowane.

Nadzieję pokładamy w projekcie Alpha Magnetic Spectrometer. Jednym z jego zadań będzie detekcja znacznie oddalonej antymaterii. Oczywiście AMS zawiedzie, gdy prawdziwa okaże się teoria o obecności antymaterii poza światem obserwowalnym. Jej obserwacja będzie niemożliwa, bo żadne promieniowanie z "ciemnej strony wszechświata" jeszcze do nas nie dotarło.

Mniej popularnym przypuszczeniem jest teoria o odpychaniu grawitacyjnym materii i antymaterii (tzw. antygrawitacja). Choć wszystko wskazuje na to, że materia i antymateria przyciągają się wzajemnie, to teoria antygrawitacji pozwala wyjaśnić kilka nieścisłości i paradoksów, w tym barionową asymetrię. Co ciekawe, teoria ta zakłada także, że świat zmienia swoją strukturę tak, by wytworzyć gigantyczny grawitacyjny dipol. No cóż, jak to zwykle bywa, najbardziej popularną hipotezą będzie ta wypracowana przez fizyków kwantowych. Tam, jak mawia mój znajomy, to "już nie wiadomo, czy cokolwiek wiadomo".