Νέα θεωρία του σύμπαντος παντρεύει δύο από τα μεγαλύτερα μυστήριά του

Πηγή: PhysOrg, 22 Ιανουαρίου 2007

Φυσικοί έχουν επινοήσει μια θεωρία που ενοποιεί δύο μυστήρια του Κόσμου που έχουν ευρέως μελετηθεί: πρώτον γιατί υπάρχει μια δυσαναλογία μεταξύ της κανονικής ύλης και της αντιύλης (οι επιστήμονες κανονικά ανέμεναν να δουν ίσα ποσά από το κάθε είδος, αλλά παρατηρούν λιγότερη αντι-ύλη), και δεύτερον την ταυτότητα της "σκοτεινής ύλης" - τα αινιγματικά σωματίδια στα οποία νομίζουμε ότι οφείλεται η πρόσθετη έλξη της βαρύτητας που παρατηρείται στους απόμακρους γαλαξίες.

"Προτείνουμε ότι σε κάποιο σημείο στο πολύ πρόωρο σύμπαν, η σκοτεινή ύλη αλληλεπίδρασε με την κανονική ύλη με έναν ιδιαίτερο τρόπο έτσι ώστε να μετατοπιστεί η ισορροπία μεταξύ του ύλης και αντιύλης ελαφρώς προς την ύλη, μια διαδικασία γνωστή ως βαρυογένεση", λέει ο Jeff Jones, φυσικός στο πανεπιστήμιο της Santa Cruz που συμμετέχει στην εργασία. "Έχουμε προτείνει έναν νέο μηχανισμό για τη βαρυογένεση,  που συνδέει αυτά τα δύο μυστήρια, τα οποία συνήθως λέγαμε ότι ήταν ανεξάρτητα."

Τα βαρυόνια είναι μια κατηγορία σωματιδίων φτιαγμένα από τρία κουάρκ. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι τα πιο κοινά παραδείγματα των βαρυονίων. Κατ' επέκταση, η συνηθισμένη ύλη - τα άτομα, με άλλα λόγια, τα οποία είναι πρώτιστα πρωτόνια και νετρόνια - αποτελείται ουσιαστικά από βαρυόνια. Ομοίως, η αντιύλη είναι συνήθως αντι -βαρυόνια.

Ο ρώσος φυσικός Andrei Sakharov, ο πατέρας της ρωσικής βόμβας υδρογόνου και συνήγορος της ειρηνικής συνύπαρξης μεταξύ της Σοβιετικής Ένωσης και της Δύσης, επισήμανε στη δεκαετία του '60 ότι για να πραγματοποιείται η βαρυογένεσις έπρεπε να υπάρξει μια παραβίαση της συμμετρίας CP. Από τις τέσσερις γνωστές θεμελιώδεις δυνάμεις - ισχυρές, ασθενείς, ηλεκτρομαγνητικές, και τη βαρύτητα - οι επιστήμονες έχουν δει μόνο την ασθενή δύναμη να παραβιάζει τη συμμετρία CP στα πειράματα. Εντούτοις, όταν αυτή η παραβίαση οδηγεί στην παραγωγή των βαρυονίων, πάντα παράγει αντι-βαρυόνια. Έτσι δεν υπάρχει καμία δυσαναλογία στην παραγωγή τους.

Αλλά πρέπει να υπάρχει, μια διαδικασία που να μην διατηρεί το συνολικό αριθμό των βαρυονίων και να παραβιάζει επίσης τη συμμετρία CP. Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής - μια θεωρία που περιγράφει τη σχέση μεταξύ των ισχυρών, ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, και των σωματιδίων που αισθάνονται αυτές τις δυνάμεις - προβλέπει ότι υπάρχει μια τέτοια διαδικασία. Αυτή, που είναι γνωστή ως διαδικασία sphaleron (που είναι μια λύση ανεξάρτητη του χρόνου των ηλεκτρασθενών εξισώσεων του Καθιερωμένου Μοντέλου, που έχει σχέση με την παραβίαση του βαρυονικού και λεπτονικού αριθμού), θα πραγματοποιούταν μόνο σε θερμοκρασίες πάρα πολύ υψηλές - πολύ δύσκολο για να γίνουν σε ένα εργαστήριο αλλά αυτές θα υπήρχαν κατά τη διάρκεια του αρχικού σύμπαντος. Η διαδικασία sphaleron επιτρέπει τη δυνατότητα της παραγωγής της ύλης χωρίς αντίστοιχη αντιύλης, αλλά δεν είναι ακόμα μια πλήρης λύση. Όμως, ο Jones αναφέρει, "το σύμπαν δεν είχε κανέναν λόγο να προτιμήσει την ύλη από την αντιύλη, έτσι μακροπρόθεσμα θα αναμέναμε να υπάρχει μια ισορροπία τους. Μυστηριωδώς, δεν υπάρχει, και σε αυτό το σημείο επεμβαίνει η εργασία μας".

Αυτός και οι συνάδελφοί του δείχνουν στην εργασία τους ότι εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έχουν ορισμένες ιδιότητες αυτά θα είχαν αλληλεπιδράσει με την κανονική ύλη. Όταν τα σωματίδια αυτά προστεθούν στις υπόλοιπες εξισώσεις στο Καθιερωμένο Μοντέλο (η σκοτεινή ύλη δεν είναι αυτήν την περίοδο μέρος του), τότε η αλληλεπίδραση αυτή θα μπορούσε να προκάλεσε μια προτίμηση για την ύλη σε σύγκριση με την αντιύλη. Σαν την διαδικασία sphaleron, αυτή η αλληλεπίδραση θα πραγματοποιούταν μόνο στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες του πρώιμου σύμπαντος και θα σταματούσε μόλις το σύμπαν θα ψυχόταν. Αυτό όχι μόνο εξηγεί πώς θα μπορούσαν να παραχθούν περισσότερα βαρυόνια από αντι-βαρυόνια προς στιγμήν, αλλά και γιατί θα υπήρχαν περισσότερα βαρυόνια μακροπρόθεσμα. Αλλά σε αυτή την εργασία, η διαδικασία sphaleron θα έπρεπε να κλείσει προτού να ξεκινήσει η αλληλεπίδραση της σκοτεινής με την κανονική ύλη. Εάν αυτή εμφανιζόταν, τότε ο υπερβολικός αριθμός βαρυονίων στον πρώιμο Κόσμο θα εκμηδενιζόταν από τη νέα παραγωγή αντι-βαρυονίων, παραγόμενη με τη διαδικασία sphaleron.

Η ομάδα βρήκε αυτές τις ιδέες καθώς μελετούσαν μια επέκταση του καθιερωμένου μοντέλου γνωστού ως μοντέλο Πεντάγωνο, το οποίο περιλαμβάνει τα θεωρητικά αωματίδια πεντακουάρκ, που τείνουν να συνδυαστούν μαζί σε ομάδες των πέντε. Οι επιστήμονες μπορούν να ελέγξουν μόνο το καθιερωμένο μοντέλο για σωματίδια  με ενέργειες επιτεύξιμες στα πειράματα που γίνονται από τον άνθρωπο, και οι οποίες φυσικά δεν είναι και πολύ υψηλές. Στις υψηλές ενέργειες, πολλοί επιστήμονες υποψιάζονται πως το καθιερωμένο μοντέλο διασπάται και μπαίνει στο παιχνίδι μια νέα φυσική. Το μοντέλο Πεντάγωνο, αφ' ετέρου, αφήνει περιθώρια για άγνωστες δυνάμεις και διατηρείται σε ενέργειες στις οποίες το καθιερωμένο πρότυπο αποτυγχάνει.

Οι ερευνητές λένε ότι η θεωρία της βαρυογέννησης τους θα μπορούσε ακόμα να ισχύσει εάν το μοντέλο Πεντάγωνο αποδειχθεί ανακριβές, υπό τον όρο ότι οι υποθέσεις τους για την ταυτότητα και τη φύση της σκοτεινής ύλης είναι αληθινές.

"Τελικά, προκειμένου να μάθουμε εάν η θεωρία μας είναι πραγματικά η σωστή εξήγηση, θα πρέπει να δοκιμαστεί. Επειδή περιλαμβάνει συνδέσεις μεταξύ πολλών διαφορετικών ειδών φυσικών διαδικασιών, θα υπάρχουν περισσότερες ευκαιρίες για να δοκιμαστεί και μπορεί έτσι να είναι ευκολότερο να εξεταστεί", λέει ο Jones. "Εντούτοις, έχει ένα ορισμένο πλεονέκτημα ως προς τις εναλλακτικές λύσεις δεδομένου ότι κατορθώνει να 'σκοτώσει δύο πουλιά με μια πέτρα'." 

Πηγή: Tom Banks, Sean Echols και Jeff L. Jones, “Βαρυογένεση, σκοτεινή ύλη και το πεντάγωνο” J. High Energy Phys. JHEP11 (2006)