Tại sao vũ trụ của chúng ta lại xoáy với nhiều vật chất hơn phản vật chất kỳ lạ của nó - và tại sao chúng ta tồn tại - là một trong những câu đố khó hiểu nhất của vật lý hiện đại.
Bằng cách nào đó, khi vũ trụ còn trẻ đến khó tin, hầu như tất cả các phản vật chất đều biến mất, chỉ còn lại những thứ bình thường. Các nhà lý luận từ lâu đã rình rập lời giải thích khó nắm bắt - và quan trọng hơn, một cách để kiểm tra lời giải thích đó bằng các thí nghiệm.
Giờ đây, một bộ ba nhà lý thuyết đã đề xuất rằng một bộ ba hạt gọi là boson Higgs có thể chịu trách nhiệm cho hành động biến mất bí ẩn của phản vật chất trong vũ trụ. Và họ nghĩ rằng họ biết cách tìm ra thủ phạm bị nghi ngờ.
Trường hợp phản vật chất bị mất tích
Trong hầu hết mọi tương tác đơn lẻ giữa các hạt hạ nguyên tử, phản vật chất (giống hệt vật chất bình thường nhưng có điện tích trái dấu) và vật chất bình thường được tạo ra với số lượng bằng nhau. Nó dường như là một đối xứng cơ bản của vũ trụ. Tuy nhiên, khi chúng ta ra ngoài và nhìn vào cùng một vũ trụ, chúng ta hầu như không thấy bất kỳ phản vật chất nào cả. Theo như các nhà vật lý có thể nói, đối với mỗi hạt phản vật chất vẫn còn tồn tại xung quanh, có khoảng một tỷ hạt vật chất bình thường, trên khắp vũ trụ.
Bí ẩn này có nhiều tên, như vấn đề bất đối xứng và vấn đề bất đối xứng baryon; Bất kể tên, nó có nhà vật lý bị vấp ngã. Cho đến nay, không ai có thể đưa ra một lời giải thích mạch lạc, nhất quán cho sự thống trị của vật chất đối với phản vật chất, và vì đó là công việc của các nhà vật lý để giải thích cách thức tự nhiên hoạt động, nó bắt đầu trở nên khó chịu.
Tuy nhiên, thiên nhiên đã để lại một số manh mối nằm xung quanh để chúng ta giải đố. Chẳng hạn, không có bằng chứng nào cho rất nhiều phản vật chất xuất hiện trong cái gọi là nền vi sóng vũ trụ - sức nóng còn lại từ Vụ nổ lớn, sự ra đời của vũ trụ. Điều đó cho thấy caper xảy ra trong vũ trụ rất sớm. Và vũ trụ sơ khai là một nơi khá điên rồ, với đủ loại vật lý phức tạp, kém hiểu biết đang diễn ra. Vì vậy, nếu vật chất và phản vật chất sẽ bị phân tách, đó là thời điểm tốt để làm điều đó.
Đổ lỗi cho hạt Higgs
Trên thực tế, thời gian tốt nhất để phản vật chất biến mất là trong thời gian ngắn ngủi nhưng hỗn loạn trong vũ trụ của chúng ta khi các lực lượng tự nhiên bị tách ra khi vũ trụ nguội dần.
Ở những năng lượng cao (như những người bên trong máy va chạm hạt), lực điện từ và lực hạt nhân yếu kết hợp sức mạnh của chúng để tạo thành một lực mới: điện yếu. Tuy nhiên, khi mọi thứ nguội đi và trở lại với năng lượng bình thường hàng ngày, tuy nhiên, điện yếu sẽ tách ra thành hai lực quen thuộc.
Ở những năng lượng cao hơn, giống như những năng lượng được tìm thấy trong những khoảnh khắc đầu tiên của Vụ nổ lớn, chúng tôi nghĩ rằng lực hạt nhân mạnh hợp nhất với điện yếu, và ở những năng lượng cao hơn, lực hấp dẫn gia nhập nhóm thành một lực thống nhất. Nhưng chúng tôi vẫn chưa tìm ra được lực hấp dẫn trong trò chơi như thế nào.
Boson Higgs, được đề xuất tồn tại vào những năm 1960 nhưng không được phát hiện cho đến năm 2012 bên trong Máy va chạm Hadron lớn, thực hiện công việc tách lực điện từ khỏi lực hạt nhân yếu. Các nhà vật lý khá chắc chắn rằng sự phân chia vật chất phản vật chất đã xảy ra trước khi cả bốn lực lượng tự nhiên rơi vào vị trí như các thực thể của chính họ; đó là bởi vì chúng ta có một sự hiểu biết khá rõ ràng về vật lý của sự phân chia sau vũ trụ và việc thêm quá nhiều phản vật chất trong các kỷ nguyên sau này vi phạm các quan sát về nền vi sóng vũ trụ).
Như vậy, có lẽ boson Higgs đóng một vai trò.
Nhưng bản thân hạt Higgs không thể cắt nó; không có cơ chế nào được biết đến chỉ sử dụng hạt Higgs để gây mất cân bằng giữa vật chất và phản vật chất.
Rất may, câu chuyện về hạt Higgs có thể chưa kết thúc. Các nhà vật lý đã tìm thấy một boson Higgs duy nhất trong các thí nghiệm máy va chạm, với khối lượng khoảng 125 tỷ volt, hay GeV - để tham khảo, một proton nặng khoảng 1 GeV.
Hóa ra, Higgs có thể không đơn độc.
Hoàn toàn có thể có nhiều boson Higgs trôi nổi xung quanh có khối lượng lớn hơn những gì chúng ta hiện có thể phát hiện trong các thí nghiệm của mình. Ngày nay, những con Higgs mạnh hơn, nếu chúng tồn tại, sẽ không làm được gì nhiều, không thực sự tham gia vào bất kỳ vật lý nào mà chúng ta có thể truy cập bằng máy va chạm - Chúng ta không có đủ năng lượng để "kích hoạt" chúng. Nhưng vào thời kỳ đầu của vũ trụ, khi năng lượng cao hơn nhiều, các hạt Higgs khác có thể đã được kích hoạt và những hạt Higgs đó có thể đã gây ra sự mất cân bằng trong các tương tác hạt cơ bản nhất định, dẫn đến sự bất cân xứng hiện đại giữa vật chất và phản vật chất.
Giải quyết bí ẩn
Trong một bài báo gần đây được công bố trực tuyến trên tạp chí arXiv, ba nhà vật lý đã đề xuất một giải pháp tiềm năng thú vị: Có lẽ, ba boson Higgs (được đặt tên là "Higgs Troika") đã chơi một trò chơi khoai tây nóng trong vũ trụ sơ khai, tạo ra một lũ vật chất bình thường . Khi vật chất chạm vào phản vật chất - Poof - hai sự hủy diệt và tan biến.
Và do đó, hầu hết dòng vật chất đó sẽ tiêu diệt các phản vật chất, đẩy nó gần như hoàn toàn ra khỏi sự tồn tại của một trận lũ phóng xạ. Trong kịch bản này, sẽ có đủ vật chất bình thường còn lại để dẫn đến vũ trụ ngày nay mà chúng ta biết và yêu thích.
Để thực hiện công việc này, các nhà lý thuyết đề xuất bộ ba bao gồm một hạt Higgs đã biết và hai người mới, với mỗi bộ đôi này có khối lượng khoảng 1.000 GeV. Con số này hoàn toàn tùy ý, nhưng được chọn đặc biệt để làm cho hạt Higgs giả thuyết này có khả năng khám phá được với thế hệ máy nghiền hạt tiếp theo. Không có dự đoán về sự tồn tại của một hạt không bao giờ có thể được phát hiện.
Các nhà vật lý sau đó có một thách thức. Bất cứ cơ chế nào gây ra sự bất đối xứng đều phải tạo ra vật chất vượt trội so với phản vật chất theo hệ số một tỷ với một. Và, nó có một cửa sổ thời gian rất ngắn trong vũ trụ sơ khai để làm việc của nó; một khi các lực lượng tách ra, trò chơi kết thúc và vật lý như chúng ta biết nó bị khóa tại chỗ. Và cơ chế này, bao gồm cả hai hạt Higgs mới, phải được kiểm chứng.
Câu trả lời ngắn gọn: Họ đã có thể làm điều đó. Đó có thể hiểu là một quá trình rất phức tạp, nhưng câu chuyện bao quát (và lý thuyết) diễn ra như sau: Hai hạt Higgs mới phân rã thành các hạt mưa với tốc độ hơi khác nhau và với các ưu tiên hơi khác nhau đối với vật chất phản vật chất. Những khác biệt này tích tụ theo thời gian và khi lực điện yếu tách ra, có đủ sự khác biệt trong quần thể hạt vật chất phản vật chất "tích tụ" trong vũ trụ mà vật chất bình thường cuối cùng chiếm ưu thế so với phản vật chất.
Chắc chắn, điều này giải quyết vấn đề bất đối xứng baryon nhưng ngay lập tức dẫn đến câu hỏi về bản chất đang làm gì với rất nhiều boson Higgs. Nhưng chúng ta sẽ thực hiện từng bước một.
