چرا در عالم مقدار ماده از آنتی ماده بیشتر است؟ | به زبان ساده

در ادامه سوالات بی‌پاسخ کیهان شناسی براساس نظریه استاندارد به سوال ششم از ۸ سوال بی‌پاسخ کیهان شناسی می‌رسیم. سوال بی‌پاسخی که در اینجا مطرح می‌شود این است که چرا میزان ماده و آنتی ماده در عالم با یکدیگر برابر نیستند. در این مطلب عدم برابری ماده و آنتی ماده را توضیح می‌دهیم و تلاش‌های دانشمندان در توضیح این موضوع را بررسی خواهیم کرد.

چرا مقدار ماده و آنتی ماده در عالم برابر نیستند؟

تورم ممکن است بسیاری مسائل را توضیح دهد اما برای سوال ششم از لیست سوا‌ل‌های بی‌جواب کیهان شناسی تورم کمکی نمی‌کند. اینکه چرا در هستی میزان بسیار بیشتری ماده نسبت به پاد ماده وجود دارد را نمی‌توان توسط نظریه تورم توضیح داد. بررسی‌ها نشان می‌دهند که پایان تورم با آزاد شدن مقدار عظیمی انرژی به شکل جفت ذره–آنتی ذره همراه بوده است. در مرحله بعد باید آنتی ذرات با ذرات نابود شده باشند و بنابراین در حال حاضر انتظار داریم هستی عاری از ماده و پر از تابش باشد.

این در حالی است که از حیث عددی در حدود یک میلیارد فوتون (عمدتاً در پس زمینه مایکروویوکیهانی یا CMB) به ازای هر پروتون یا الکترون در هستی وجود دارد که به این معنی است که ماده بیشتری نسبت به آنتی ماده شکل گرفته است.

راه دیگر بیان این مشکل تعداد باریون در عالم است. اگر برای هر باریون در هستی یک آنتی باریون مربوط به آن وجود داشته باشد، آن گاه تعداد باریون هستی برابر با صفر خواهد بود. اما می‌دانیم در هستی واقعی تعداد بیشتری باریون نسبت به آنتی باریون وجود دارد و به همین دلیل تعداد باریون هستی یک عدد مثبت است.

بقای تعداد باریون‌ها در واکنش‌های هسته‌ای یک اصل مهم فیزیکی است و می‌توان انتظار داشت به دلیل آنکه تعداد باریون هستی در حال حاضر مقدار مثبتی دارد، در گذشته نيز چنين بوده است. با اين حال فيزيكدانان تمايلی به پذيرش اين موضوع كه هستی با تعداد باريون مثبت آغاز شده باشد نشان نمی‌دهند. از نظر فیزیکدانان تعداد باریون هستی مانند بار الکتریکی در آغاز صفر بوده است و سوالی که مطرح می‌شود این است اگر هستی با تعداد باریون صفر آغاز شده است چگونه به مقدار غیر صفر امروزی رسیده است؟

چگونه می‌توان نابرابری ماده و آنتی ماده را توضیح داد؟

یک توضیح احتمالی برای نابرابری ماده و پاد ماده این است که تصور کنیم دوره‌ای در تاریخ هستی وجود داشته که در آن قانون بقای تعداد باریون برقرار نبوده است یعنی واکنشهايی که رخ داده اصل بقای تعداد باریون را نقض کرده است. چنین واکنشهایی سبب ‏شده تعداد باریون هستی از مقدار اولیه صفر به مقدار مثبتی که ما امروز شاهد آن هستیم تغییر کند.

تصور فیزیکدانان بر این است که اتحاد بین نیروهای قوی و الکتروضعیف (اتحاد بزرگ) در انرژی‌های حدود $$10^15$$ گیگاالکترون ولت رخ می‌دهد. این تئوری بیان می‌کند که اتحاد بزرگ بین نیروها که واکنش‌هایی در چنین انرژی‌های بزرگی را توصیف می‌کند نیازی به پایسته بودن قانون بقای تعداد باریون ندارند. بنابراین برهم کنش ذرات در چنین انرژی‌های بزرگی می‌تواند باعث ایجاد مازاد ماده‌ای باشد که ما در هستی امروزه شاهد آن هستیم. توجه داشته باشید که چنین برهم کنش‌هایی باید پس از فرآیند تورم رخ داده باشند. مطابق مدل تورمی اکثر ذرات موجود در هستی از انرژی آزاد شده در پایان تورم شکل گرفته‌اند.

عدم توازن بین ماده و آنتی ماده تنها می‌تواند پس از شکل‌گیری این ذرات به وجود آید و بنابراین تورم باید پیش از پایان دوره اتحاد بزرگ رخ داده باشد.

واکنش‌هایی که در آنها تعداد باریون بقا نداشته در انرژی‌های بسیار بالایی رخ داده که بازتولید آن‌ها در آزمایشگاه‌های امروزی ما غیر ممکن است هرچند با استفاده از این نظریه می‌توان شواهدی در تائید تئوری اتحاد بزرگ به دست آورد. فرآیندها و واکنش‌های بنیادی که امکان شکل‌گیری باریون مازاد در هستی اولیه را ممکن ساخته‌اند ممکن است امروزه نیز به ندرت به پروتون‌ها امکان واپاشی دهند. تا به حال علیرغم تلاش‌های بسیار برای ردیابی چنین فرايندی، پروتون در حال واپاشی مشاهده نشده است. البته اگر پروتون نیمه عمر $$10^33$$ سال داشته باشد این شکست قابل درک است و در آینده امکان مشاهده واپاشی پروتون وجود خواهد داشت.

چرا پاد ماده در عالم امروز کمتر است؟

پیش از پایان این مطلب لازم است به فرضی که در ابتدا نظر گرفتيم یعنی عدم وجود مقادیر قابل توجهی از آنتی ماده در عالم امروز اشاره كنيم. ما از کجا نتیجه می‌گیریم که مقدار آنتی ماده در عالم امروز کمتر است؟

در حقیقت باید گفت اگر ماده و آنتی ماده در هستی اولیه از یکدیگر تفکیک شده باشند آنگاه نواحی از فضا وجود داشته که در آن آنتی ماده غالب بوده است.

فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی Particle Physics در فرادرس

کلیک کنید

در نتیجه آنتی پروتون‌ها، آنتی نوترون‌ها و آنتی الکترون‌ها (یعنی پوزیترون‌ها) با کنار هم قرار گرفتن آنتی اتم‌ها و به دنبال آن آنتی مولکول‌ها را تولید کرده و به دنبال آن آنتی ستاره، آنتی سیاره و آنتی انسان نیز به وجود می‌آمد. آیا واقعاً این اتفاق در هستی رخ داده است و موجودات هوشمندی که از آنتی ماده هستند وجود دارند؟

پرسش: فرض کنید شما نسبت به اینکه یک کهکشان تازه کشف شده از آنتی ماده شکل گرفته است یا خیر شک داريد. الف) آیا می‌توان از تابش ساطع شده این کهکشان گفت که آیا این کهکشان از ماده یا آنتی ماده شکل گرفته است؟ ب) با دانستن این موضوع که ماده و آنتی ماده با نابود کردن یکدیگر پرتوهای گاما شکل می‌دهند آیا می‌توان این پدیده را مشاهده کرد؟

پاسخ: الف) یک اتم آنتی هیدروژن که از یک آنتی پروتون و پوزیترون تشکیل شده است همانند یک اتم هیدروژن معمولی رفتار می‌کند و نسبت به یک اتم هیدروژن سطح انرژی یکسان دارد. این آنتی هیدروژن تابش‌های یکسانی همانند اتم هیدروژن ساطع و جذب می‌کند. در نتیجه فوتون‌های تولید شده در یک آنتی کهکشان همانند کهکشان راه شیری خواهد بود. این ویژگی برای اتم‌های دیگری غیر از هیدروژن نیز برقرار است. در نتیجه طیف سنجی یک آنتی کهکشان مانند طیف یک کهکشان است و بین این دو تفاوتی وجود ندارد.

ب) اگر یک کهکشان واقعاً یک آنتی کهکشان باشد، در نتیجه بین آن آنتی کهکشان و کهکشان راه شیری باید مرزی وجود داشته باشد که این مرز نمایشگر بین ماده و آنتی ماده است. اگر این مرز وجود داشته باشد نیز باید  نابودی بین ماده و آنتی ماده رخ داده و با جستجوی پرتوهای گاما باید بتوانیم این مرز را مشخص کنیم. با این حال عدم وجود این پرتوهای گاما این موضوع را نشان می‌دهد که این مرز وجود ندارد و در نتیجه آنتی ماده زیادی نیز در عالم موجود نیست.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد میزان ماده و آنتی ماده در عالم صحبت کردیم. همانطور که می‌دانید در کیهان شناسی هشت سوال بی پاسخ وجود دارد که عبارتند از:

1. ماهیت ماده تاریک چیست؟
2. ماهیت انرژی تاریک چیست؟
3. چرا عالم یکنواخت است؟
4. چرا عالم هندسه تخت (k=0) دارد؟
5. منشاء ساختار عالم چیست؟
6. چرا در عالم میزان ماده از آنتی ماده بیشتر است؟
7. در زمان  0 =t (در ابتدای عالم) چه رخ داده است؟
8. چرا هستی به شکل فعلی آن است؟

در این مطلب در مورد سوال ششم که در مورد میزان ماده و آنتی ماده در عالم است صحبت کردیم. سوال و موضوع اصلی این است که چرا میزان آنتی ماده در عالم بسیار کمتر از ماده است؟ چیزی که امروزه در عالم مشاهده می‌شود این است که میزان آنتی ماده بسیار کمتر از ماده است و این موضوع را دانشمندان با عدم پایستگی باریون در دوره‌ای از عالم توضیح می‌دهند.