Mengapa alam semesta kita berputar dengan lebih banyak materi daripada antimateri tandingannya yang aneh - dan mengapa kita ada - adalah salah satu teka-teki fisika modern yang paling membingungkan.
Entah bagaimana, ketika alam semesta masih sangat muda, hampir semua antimateri menghilang, hanya menyisakan hal-hal normal. Para ahli teori telah lama menguntit penjelasan yang selalu sulit dipahami - dan yang lebih penting, cara untuk menguji penjelasan itu dengan eksperimen.
Sekarang, trio teoritikus telah mengusulkan bahwa trio partikel yang disebut Higgs boson dapat bertanggung jawab atas tindakan antimateri misterius yang hilang di alam semesta. Dan mereka pikir mereka tahu bagaimana menemukan tersangka pelaku.
Kasus antimateri yang hilang
Di hampir setiap interaksi tunggal antara partikel subatomik, antimateri (yang identik dengan materi normal tetapi dengan muatan berlawanan) dan materi normal diproduksi dalam ukuran yang sama. Tampaknya menjadi simetri mendasar dari alam semesta. Namun, ketika kita pergi dan melihat alam semesta yang sama, kita hampir tidak melihat antimateri sama sekali. Sejauh yang dapat diketahui oleh fisikawan, untuk setiap partikel antimateri yang masih berkeliaran, ada sekitar satu miliar partikel materi normal, di seluruh kosmos.
Misteri ini memiliki banyak nama, seperti masalah asimetri dan masalah asimetri baryon; terlepas dari nama, fisikawannya bingung. Sampai sekarang, tidak ada yang bisa memberikan penjelasan yang koheren, konsisten untuk dominasi materi dibandingkan antimateri, dan karena itu adalah tugas fisikawan untuk menjelaskan bagaimana alam bekerja, itu mulai membuat jengkel.
Namun, alam memang meninggalkan beberapa petunjuk untuk kita tebak. Misalnya, tidak ada bukti untuk banyak antimateri muncul dalam apa yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik - panas yang tersisa dari Dentuman Besar, kelahiran alam semesta. Itu menunjukkan bahwa caper terjadi di alam semesta yang sangat awal. Dan alam semesta awal adalah tempat yang cukup gila, dengan segala macam fisika yang rumit dan kurang dipahami terjadi. Jadi jika materi dan antimateri akan terpecah, itu saat yang tepat untuk melakukannya.
Salahkan Higgs
Faktanya, waktu terbaik bagi antimateri untuk menghilang adalah selama zaman singkat namun penuh gejolak di alam semesta kita ketika kekuatan alam membelah ketika kosmos mendingin.
Pada energi tinggi (seperti yang ada di dalam penumbukan partikel), gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah menggabungkan kekuatan mereka untuk membentuk gaya baru: elektro. Setelah semuanya mendingin dan kembali ke energi normal sehari-hari, bagaimanapun, electroweak terbagi menjadi dua kekuatan yang akrab.
Pada energi yang lebih tinggi, seperti yang ditemukan pada saat-saat pertama Big Bang, kami berpikir bahwa gaya nuklir kuat menyatu dengan bunyi elektro, dan pada energi yang lebih tinggi, gravitasi bergabung dengan partai menjadi satu kekuatan tunggal. Tapi kami belum menemukan bagaimana gravitasi masuk dalam permainan.
Boson Higgs, diusulkan ada pada 1960-an tetapi tidak ditemukan sampai 2012 di dalam Large Hadron Collider, melakukan pekerjaan pemisahan gaya elektromagnetik dari gaya nuklir lemah. Fisikawan cukup yakin bahwa perpecahan antimateri materi terjadi sebelum keempat kekuatan alam masuk ke tempatnya sebagai entitas mereka sendiri; itu karena kita memiliki pemahaman yang cukup jelas tentang fisika alam semesta pasca-perpecahan, dan menambahkan terlalu banyak antimateri di zaman kemudian melanggar pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik).
Karena itu, mungkin bos Higgs berperan.
Tapi Higgs dengan sendirinya tidak bisa memotongnya; tidak ada mekanisme yang diketahui hanya menggunakan Higgs untuk menyebabkan ketidakseimbangan antara materi dan antimateri.
Syukurlah, kisah Higgs mungkin belum berakhir. Fisikawan telah menemukan boson Higgs tunggal dalam percobaan collider, dengan massa sekitar 125 miliar volt elektron, atau GeV - untuk referensi, sebuah proton berbobot sekitar 1 GeV.
Ternyata, Higgs mungkin tidak sendirian.
Sangat mungkin untuk ada lebih banyak bos Higgs melayang di sekitar yang lebih masif daripada apa yang saat ini dapat kita deteksi dalam percobaan kami. Saat ini, Higgs yang lebih berat, jika ada, tidak akan berbuat banyak, tidak benar-benar berpartisipasi dalam fisika apa pun yang dapat kita akses dengan colliders kita - Kita hanya tidak memiliki energi yang cukup untuk "mengaktifkan" mereka. Tetapi pada hari-hari awal alam semesta, ketika energinya jauh, jauh lebih tinggi, Higgs lainnya bisa diaktifkan, dan Higgs itu mungkin telah menyebabkan ketidakseimbangan dalam interaksi partikel fundamental tertentu, yang mengarah ke asimetri modern antara materi dan antimateri.
Memecahkan misteri
Dalam sebuah makalah baru-baru ini yang diterbitkan secara online di jurnal pracetak arXiv, tiga fisikawan mengusulkan solusi potensial yang menarik: Mungkin, tiga bos Higgs (dijuluki "Higgs Troika") memainkan permainan kentang panas di alam semesta awal, menghasilkan banjir materi normal . Ketika materi menyentuh antimateri - Poof - keduanya memusnahkan dan menghilang.
Dan sebagian besar aliran materi itu akan memusnahkan antimateri itu, membuatnya hampir seluruhnya tidak ada dalam banjir radiasi. Dalam skenario ini, akan ada cukup materi normal yang tersisa untuk mengarah ke alam semesta masa kini yang kita kenal dan cintai.
Untuk membuat ini bekerja, para ahli teori mengusulkan trio termasuk satu partikel Higgs yang diketahui dan dua pemula, dengan masing-masing dari duo ini memiliki massa sekitar 1.000 GeV. Jumlah ini murni arbitrer, tetapi secara khusus dipilih untuk membuat Higgs hipotetis ini berpotensi ditemukan dengan generasi berikutnya dari penumbukan partikel. Tidak ada gunanya memprediksi keberadaan partikel yang tidak pernah bisa dideteksi.
Para fisikawan kemudian memiliki tantangan. Mekanisme apa pun yang menyebabkan asimetri harus memberikan materi keunggulan antimateri dengan faktor satu miliar ke satu. Dan, ia memiliki jendela waktu yang sangat singkat di alam semesta awal untuk melakukan hal itu; begitu kekuatan terpecah, permainan berakhir dan fisika seperti yang kita tahu terkunci di tempatnya. Dan mekanisme ini, termasuk dua Higgs baru, harus dapat diuji.
Jawaban singkatnya: Mereka mampu melakukannya. Dapat dipahami ini adalah proses yang sangat rumit, tetapi kisah menyeluruh (dan teoretis) seperti ini: Dua Higgs baru membusuk menjadi partikel-partikel dengan kecepatan yang sedikit berbeda dan dengan preferensi yang sedikit berbeda untuk materi dibandingkan antimateri. Perbedaan-perbedaan ini terbentuk dari waktu ke waktu, dan ketika gaya electroweak terpecah, ada cukup perbedaan dalam populasi partikel materi-antimateri "yang dibangun" ke alam semesta yang materi normal akhirnya mendominasi atas antimateri.
Tentu, ini memecahkan masalah asimetri baryon tetapi hanya segera mengarah pada pertanyaan apa yang dilakukan alam dengan begitu banyak bos Higgs. Tapi kami akan mengambil langkah demi langkah.
