Az ősrobbanás elméletek máig vitatott kérdése, hogyan jöhetett létre az Univerzumban az anyag dominanciája az antianyag felett. Természetesen az is megkérdezhető, hogy bizonyított-e az anyag fölénye. Nem lehet, hogy a tőlünk távoli galaktikákban fordított a helyzet és azokban az általunk antianyagnak nevezett részecskék világa uralkodik? Ez azonban nagy valószínűséggel kizárható, mert a galaktikák helyzete egymáshoz képest is változik és sok csillagászati megfigyelés tanúskodik a galaktikák ütközéséről. Ilyen a Tejútrendszerünkkel is meg fog történni egykor, amikor a közeledő Androméda köd eléri csillagrendszerünk külső határait. Ha viszont anyag és antianyag találkozik, akkor megsemmisítik egymást és beláthatatlanul sok energia szabadul fel az ilyen ütközések során. Bár sok megfigyelés mutat galaktikák közötti ütközésre, de ezek nem játnak akkora sugárkitörésekkel, amelyek sokszorosan meghaladnák a szupernóva robbanásokét.
Honnan ered a természet aszimmetriája?
A kérdés úgy is felvethető, hogy miért létezik a természet aszimmetriája, amely a részecskék és antirészecskék kettős világában jelentkezik, hiszen minden részecskének létezik antirészecske párja, az elektron esetén ez a pozitron, a proton esetén az antiproton, és ezekben a párokban az elektromos töltés előjele éppen fordított. De szintén van antirészecske párja a töltéssel nem rendelkező neutronnak is, ezt hívjuk antineutronnal. A töltés hiánya a neutron összetett szerkezetével van kapcsolatban, amelyet három kvark hoz létre, a +2/3e töltésű up kvark töltését két -1/3e töltésű down kvark töltése kompenzálja, míg az antineutront antikvarkok építik fel, melyekben a töltések előjele épp fordított. Létezik semleges töltésű valóban eleminek tekintett részecske is, ilyen a neutrínó, ahol azonban máig vitatott, hogy meg kell-e különböztetni részecske és antirészecske típusú neutrínókat, vagy a neutrínó önmaga antirészecskéjének tekintendő-e.
Annihiláció és párképződés
Amikor a részecske találkozik antirészecske párjával, akkor az ütközéskor bekövetkezik az annihiláció gamma sugárzás kibocsátásával együtt. A folyamat megfordítható, mert a gamma sugarak, ha elég nagy az energiájuk ütközéskor részecske párokat hozhatnak létre: létrejöhet egy elektron-pozitron pár, amikor a sugárzás energiája meghaladja az 1 MeV értéket, de proton antiproton pár is, amikor ehhez elegendő a sugárzás energiája (legalább 2 GeV). Olyan folyamatot azonban nem lehetett megfigyelni, amikor a sugárzás hatására két elektron, vagy két pozitron alakult volna ki, azaz a semleges töltésű gamma sugarak nem hozhatnak létre töltéseket, ez a töltésmegmaradás elve. A pozitív és negatív töltések egyensúlya jellemzi földi viszonyainkat is, bár lokálisan a töltések elkülönülhetnek például kondenzátorokban, a felhők világában, de elektromos vezetőkben is, de összességében kialakul a töltések egyensúlya. Ez jellemzi az atomok és molekulák világát is. Kitekintve a csillagok világára, ott is a töltésegyensúly jellemző, bár a plazma állapotban nem találnak egymásra a pozitív atommagok és a negatív elektronok, mert a magas hőmérséklet szétveti az atomokat.
Töltésegyensúly a részecskevilágban
A töltésegyensúly azonban nem jelenti az anyag és antianyag egyensúlyát, mert a pozitív proton és a negatív elektronok száma egyensúlyban van a részecskevilágban, de a kérdés, hogy miért csak kivételesen és rövid ideig maradhatnak fel a szintén töltésegyensúlyt képviselő antiproton és pozitronból felépülő antiatomok? Van-e olyan fizikai folyamat, amely nem két azonos tömegű elemi részecskét hoz létre, hanem egy protont és egy elektront? Ha létezne ilyen folyamat, akkor a statisztikai szemléletünk már kulcsot adhatna ahhoz, hogyan került az anyag fölénybe az antianyag felett. Persze ilyenkor is egyenlő eséllyel jöhetne létre egy anyagnak tekintett proton-elektron pár, mint az antiproton és pozitron együttese, de ez csak egy statisztikai egyensúlyt jelentene, mert a véletlen különbség a kétféle pár mennyisége között elvezethetne egy olyan folyamatra, amikor az annihiláció eltüntetheti a kisebbségben képződő antianyagot és fennmaradna a véletlenül előálló többlet, amit ma anyagnak nevezünk. Ezt tekintik az ősrobbanás elméletben a részecske „kannibalizmusnak”, aminek lezajlása után maradna fent az anyagból felépített univerzum. Az elgondolás gyenge pontja, hogy mindmáig nem figyelhető meg olyan folyamat, amikor a gamma sugarak proton-elektron párt hoznának létre. Kibúvóként persze felvethető, hogy az ősrobbanás korai korszakában a hatalmas energiasűrűség miatt még voltak ilyen folyamatok, melyeket konszolidált univerzumunkban nem tudunk megfigyelni.
Létrejöhetnek-e azonos előjelű töltések a gamma-sugarakból?
A magyarázathoz azonban elindulhatunk más oldalról is. Nem lehetséges mégis olyan folyamat, amikor nem érvényes a töltésmegmaradás és létrejöhet két elektron, vagy két pozitron a gamma sugarak ütközésekor? Ha lehet ilyen folyamat, akkor a statisztikai magyarázat elvezethet az anyag dominanciájához. A főkérdés azonban, hogy milyen szimmetria testesül meg a kétféle töltés mögött, Erre kézenfekvő magyarázat, hogy a háromdimenziós tér kiralitása, amit a jobb és a bal kéz kettősségével jellemezhetünk. Ezt az aszimmetriát megvalósíthatjuk gamma sugarakkal is. Hogyan? A történeti hűség megköveteli, hogy megemlítsem: az ötlet eredetileg Kaslik Gyulától származik. Bocsássunk egymásra merőlegesen két gamma sugarat. Fontos azonban a két sugár polaritása is, ami a két cirkulárisan poláris komponens szétválasztása esetén megvalósítja a két lehetséges királis állapotot. Legyen például a két gamma sugár polarizációja jobbos forgásirányú. Ekkor két elrendezést lehetne összehasonlítani, ahol az egyik sugár x irányból jönne, míg a másik lehetne +y, vagy –y irányú. Az egyik esetben két elektron, a másikban két pozitron képződése várható. Kritikus természetesen, hogy a két gamma sugár mekkora hatásfokkal hozhat létre részecskéket. Erre elvi lehetőséget nyújt a kvantumelektrodinamika, mert ugyan a fotonok nem rendelkeznek töltéssel, ami az elektromágneses kölcsönhatás alapja, de virtuálisan – tehát kísérletileg nem detektálható módon – elektron-pozitron párokat hoz létre. Ennek vákuumpolarizációs hatása már elindítja a gamma-gamma kölcsönhatást, ami két részecske létrehozását eredményezi, és mivel a kísérleti elrendezés az ütközés helyén királis szimmetriával rendelkezik, így a kiralitás megmaradás törvénye magával hozza a képződő két részecske kiralitása azonos legyen, azaz vagy két részecske vagy két antirészecske jöjjön létre, amikor is a képződő elemi részecskék töltésének előjele megegyezik.
Milyen kísérlet bizonyíthatná a képződő töltések azonos előjelét?
Ez a kísérlet segíthetne a töltés eredetének tisztázásában és kulcsot adna az anyag dominanciájának megértéséhez is. A feltételek teljesítése nem könnyű, de nem is megvalósíthatatlan. Polarizált gamma sugár nagy teljesítményű szinkrotron fékezési sugárzásából nyerhető. Ehhez azonban 1MeV fölötti energiára van szükség, ilyen szinkrotron csak nagy nemzetközi laboratóriumokban áll rendelkezésre, ilyen a FERMI laboratórium, vagy az LHC. Az elektron többlet, vagy pozitron többlet kimutatása sem könnyű feladat, mert el kell kerülni a közeggel való ütközést az erős ionizáló hatás miatt, ami nagyszámú részecske keltésével zavaró háttérjelet adna. Emiatt a magas fokú vákuum a mérő kamrában alapkövetelmény. Célszerű időzített impulzusokat a detektorba belőni és az anódhoz, illetve katódhoz eljutó pozitronok illetve elektronok hatását egy jól kiegyenlített híd segítségével összevetni. A bizonyítékot az jelentené, ha a hídegyensúly felborulása a két elrendezésben fordított lenne. Ez a technika már kisszámú részecske keletkezésekor is mérhető jelet adna. A kísérlet megvalósítása fizikusok és mérnökök összehangolt munkáját igényelné. Egy ilyen mérés költsége ugyan jelentős lenne, de jóval szerényebb, mint a gravitációs hullámokat kimutató LIGO, vagy a Higgs bozon detektálására irányuló kísérleteké. Viszont a várható eredmény jelentős lökést adna, hogy tisztázni tudjuk a részecskefizika és a kozmológia fontos kérdéseit, és ez indokolttá teszi egy ilyen projekt megvalósítását.
A blog további írásait összegzi a megfelelő linkekkel együtt a „Paradigmaváltás a fizikában” című bejegyzés.
