¿Por qué es sorprendente la asimetría entre materia y antimateria, si la asimetría puede ser generada por una caminata aleatoria en la que las partículas entran en los agujeros negros?

Según tengo entendido, el universo primitivo era un entorno muy "caliente" (es decir, denso en energía). Incluso estaba lo suficientemente caliente como para que se formaran agujeros negros a partir de fotones .

Mi segundo punto de comprensión es que los agujeros negros pueden perder masa debido a la radiación de halcón, lo que equivale a :

Se puede obtener una visión física del proceso imaginando que la radiación partícula-antipartícula se emite justo más allá del horizonte de sucesos. Esta radiación no proviene directamente del agujero negro en sí, sino que es el resultado de partículas virtuales "impulsadas" por la gravitación del agujero negro para convertirse en partículas reales. [cita requerida] Como el par partícula-antipartícula fue producido por el agujero negro energía gravitacional, el escape de una de las partículas reduce la masa del agujero negro. 3

Una visión alternativa del proceso es que las fluctuaciones del vacío hacen que aparezca un par de partículas y antipartículas cerca del horizonte de eventos de un agujero negro. Uno de los dos cae en el agujero negro mientras que el otro escapa. Para conservar la energía total, la partícula que cayó en el agujero negro debe haber tenido una energía negativa (con respecto a un observador alejado del agujero negro). Esto hace que el agujero negro pierda masa y, para un observador externo, parecería que el agujero negro acaba de emitir una partícula. En otro modelo, el proceso es un efecto de tunelización cuántica, mediante el cual se formarán pares de partículas y antipartículas a partir del vacío, y una formará un túnel fuera del horizonte de sucesos.

Así que simulé un escenario con dos tipos de partículas que se crean en una proporción de 50/50 a partir de la radiación de halcón y siempre se aniquilan entre sí si es posible.

Editar:

En esta simulación se crean ambas partículas, pero una es absorbida por el agujero negro. El otro se queda afuera. Por lo tanto, la carga debe conservarse.

La simulación (escrita en R) está aquí:

# Run the simulation for 1 million steps and initialize output matrix
n_steps = 1e6
res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

# Initiate number of particles to zero
n0 = n1 = 0
for(i in 1:n_steps){
  # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
  x = sample(0:1, 1)

  # If "x" is a matter particle then...
  if(x == 0){
    # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
    #Otherwise increase the number of matter particles by one
    if(n1 > 0){
      n1 = n1 - 1
    }else{
      n0 = n0 + 1
    }
  }

  # If "x" is an antimatter particle then...
  if(x == 1){
    # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
    # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
    if(n0 > 0){
      n0 = n0 - 1
    }else{
      n1 = n1 + 1
    }
  }

  # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
  res[i, ] = c(n0, n1)
  if(i %% 1000 == 0){
    plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
    lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
  }
}

Aquí hay una instantánea de los resultados, donde la línea negra es el número de partículas "tipo 0" y la línea roja es el número de partículas "tipo 1":

Obviamente, este es un modelo 1d simplificado donde cualquier antimateria generada es inmediatamente aniquilada por una partícula de materia correspondiente, etc. Sin embargo, no veo por qué no se esperaría que el resultado cualitativo de una "especie" de partículas dominantes se mantuviera en general. . Entonces, ¿cuál es la base para esperar cantidades iguales de materia y antimateria? ¿Cómo está en conflicto con esta simple simulación?

EDITAR:

Como se solicitó en los comentarios, modifiqué la simulación para permitir un número inicial diferente de partículas y la probabilidad de generar cada partícula.

# Run the simulation for 1 million steps and initialize output matrix
n_steps = 250e3
res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

# Initial number of each type of particle and probability of generating type 0
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.51
for(i in 1:n_steps){
  # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
  x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

  # If "x" is a matter particle then...
  if(x == 0){
    # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
    # Otherwise increase the number of matter particles by one
    if(n1 > 0){
      n1 = n1 - 1
    }else{
      n0 = n0 + 1
    }
  }

  # If "x" is an antimatter particle then...
  if(x == 1){
    # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
    # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
    if(n0 > 0){
      n0 = n0 - 1
    }else{
      n1 = n1 + 1
    }
  }

  # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
  res[i, ] = c(n0, n1)
  if(i %% 1e4 == 0){
    plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
    lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
  }
}

Algunos ejemplos:

n0 = 1000, n1 = 0, p = 0,5

n0 = 0, n1 = 0, p = 0,51

n0 = 1000, n1 = 1000, p = 0,5

EDITAR 2:

Gracias a todos por sus respuestas y comentarios. Aprendí que el nombre del proceso de generación de materia a partir de agujeros negros es "bariogénesis de agujeros negros". Sin embargo, en los artículos que revisé sobre este tema (p. ej., Nagatani 1998 , Majumdar et al 1994 ) no parecen estar hablando de lo mismo que yo.

Estoy diciendo que a través de la dinámica de la generación simétrica y la aniquilación de materia-antimateria junto con la bariogénesis simétrica a través de la radiación hawking, siempre obtendrás un desequilibrio con el tiempo que tenderá a crecer debido a una retroalimentación positiva. Es decir, las condiciones de Sajarov , como la violación de CP, en realidad no son necesarias para obtener una asimetría.

Si acepta que existe la producción de pares, la aniquilación y la radiación hawking, entonces debería esperar por defecto que una especie dominante de partículas domine a la otra en todo momento. Ese es el único estado estable (además de un universo de solo energía). Materia/antimateria aproximadamente igual es obviamente muy inestable porque se aniquilan entre sí, por lo que no tiene sentido esperar eso.

Es posible que en algún modelo más complicado (que incluya más de un tipo de par de partículas, distancia entre partículas, fuerzas, etc.) de alguna manera esta tendencia hacia la asimetría se anule de alguna manera. Pero no puedo pensar en ninguna razón por la que eso sería, debería depender de las personas que esperan que la simetría materia-antimateria proponga un mecanismo para explicar eso (lo que sería algo extraño en lo que dedicar su tiempo ya que es decididamente no lo que observamos en nuestro universo).

Con respecto a algunos problemas específicos que la gente tenía:

1) Preocupaciones sobre la acumulación de carga negativa en los agujeros negros y la acumulación de carga positiva en el espacio regular

• Si bien en la simulación solo hay una partícula, en la práctica esto sucedería en paralelo para pares de electrones-positrones y protones-antiprotones a velocidades iguales (afaik). Así que no esperaría ningún tipo de desequilibrio de carga. Puede imaginar que los pares de partículas en la simulación son la mitad de electrones-positrones y la mitad de protones-antiprotones.

2) No había suficientes agujeros negros en el universo primitivo para explicar la asimetría.

• Intenté y no pude obtener una cotización exacta para esto para poder averiguar qué suposiciones se hicieron, pero dudo que incluyeran los comentarios positivos mostrados por la simulación en su análisis. Además, me preguntaba si considerarían la posibilidad de que se formaran agujeros negros kugelblitz en un universo de solo energía. Finalmente, la tendencia hacia una especie dominante está en curso todo el tiempo, de todos modos no es necesario que haya sucedido en el universo primitivo.

3) Si este proceso está en curso en un universo que se parece al nuestro hoy (donde una partícula puede tardar mucho tiempo en viajar de un agujero negro al otro), esperaríamos que algunos agujeros negros generaran localmente dominado por la antimateria. regiones y otras para generar regiones dominadas por materia. Eventualmente, algunas de estas regiones deberían entrar en contacto entre sí, lo que conduciría a una aniquilación masiva observable de partículas.

• Estoy de acuerdo en que esta sería la expectativa predeterminada, pero si comienza desde un estado altamente dominado por la materia, sería muy poco probable que se genere suficiente antimateria para aniquilar localmente toda la materia e incluso entonces solo hay un 50% de probabilidad de la siguiente fase es antimateria. Poner números en cosas como esta requeriría un modelo más complejo que no deseo intentar aquí.

4) La asimetría en realidad no es considerada sorprendente por los físicos.

• Bueno, dice esto en wikipedia :

  Ni el modelo estándar de física de partículas ni la teoría de la relatividad general proporcionan una explicación conocida de por qué esto debería ser así, y es una suposición natural que el universo sea neutral con todas las cargas conservadas. [...] Como se señaló en un artículo de investigación de 2012, "El origen de la materia sigue siendo uno de los grandes misterios de la física".

5) Este proceso es de alguna manera una exótica teoría "alternativa" al estándar.

• Este proceso se dedujo aceptando que la física/cosmología estándar es correcta. Es una consecuencia directa de la interacción entre la producción/aniquilación de pares y la radiación hawking. Puede parecer contradictorio para las personas acostumbradas a pensar en lo que esperaríamos en promedio de un modelo, cuando en realidad queremos pensar en cómo se comportan las instancias individuales. Si la simulación se ejecuta varias veces y se suman todas las "partículas", el resultado será ~50/50 materia/antimateria. Sin embargo, observamos un universo en particular, no un promedio de todos los universos posibles. En cada caso particular siempre hay una especie dominante de partícula, que terminamos llamando "materia".

Entonces, después de leer las respuestas/comentarios, creo que la respuesta a mi pregunta es probablemente que los físicos estaban pensando en lo que esperarían en promedio cuando deberían haber estado pensando en lo que sucedería en casos específicos. Pero no estoy lo suficientemente familiarizado con la literatura para decir.

Edición 3:

Después de hablar con Chris en el chat, decidí hacer que la tasa de aniquilación dependiera de la cantidad de partículas en el universo. Hice esto estableciendo la probabilidad de aniquilación en exp(-100/n_part), donde n_part es el número de partículas. Esto fue bastante arbitrario, lo elegí para tener una cobertura decente en todo el rango típico de 250k pasos. Se parece a esto:

Aquí está el código (también agregué algo de paralelización, perdón por la mayor complejidad):

require(doParallel)

# Number of simulations to run and threads to use in parallel
n_sim   = 100
n_cores = 30

# Initial number of each type of particle and probability
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.5

registerDoParallel(cores = n_cores)
out = foreach(sim = 1:n_sim) %dopar% {
  # Run the simulation for 250k steps and initialize output matrix
  n_steps = 250e3
  res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

  for(i in 1:n_steps){
    # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
    x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

    n_part = sum(res[i -1, ]) + 1
    p_ann  = exp(-100/n_part)
    flag   = sample(0:1, 1, prob = c(1 - p_ann, p_ann))


    # If "x" is a matter particle then...
    if(x == 0){
      # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
      # Otherwise increase the number of matter particles by one
      if(n1 > 0 & flag){
        n1 = n1 - 1
      }else{
        n0 = n0 + 1
      }
    }

    # If "x" is an antimatter particle then...
    if(x == 1){
      # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
      # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
      if(n0 > 0 & flag){
        n0 = n0 - 1
      }else{
        n1 = n1 + 1
      }
    }

    # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
    res[i, ] = c(n0, n1)
    if(i %% 1e4 == 0 && sim %in% seq(1, n_sim, by = n_cores)){
      # plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
      # lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
      print(paste0(sim, ": ", i))
    }
  }
  return(res)
}

Aquí hay un ejemplo de 25 resultados:

Y un histograma del porcentaje de partículas que estaban en la clase menor al final de cada simulación:

Entonces, los resultados aún concuerdan con el modelo más simple en que tales sistemas tenderán a tener una especie de partícula dominante.

Edición 4:

Después de una conversación más útil con Chris, sugirió que la aniquilación de más de un par de partículas por paso era el factor adicional crucial. Específicamente, que el número de partículas eliminadas debe ser una muestra de la distribución de Poisson con una media proporcional al número total de partículas, es decir, rpois(1, m*n0*n1) donde m es lo suficientemente pequeño como para que la aniquilación sea muy rara hasta que un Existe un gran número de partículas de materia y antimateria.

Aquí está el código (que es bastante diferente al anterior):

require(doParallel)

# Number of simulations to run and threads to use in parallel
n_sim   = 100
n_cores = 30

# Initial number of each type of particle and probability
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.5
m  = 10^-4

# Run the simulation for 250k steps and 
n_steps = 250e3

registerDoParallel(cores = n_cores)
out = foreach(sim = 1:n_sim) %dopar% {
  # Initialize output matrix
  res = matrix(ncol = 3, nrow = n_steps)

  for(i in 1:n_steps){
    # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
    x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

    # If "x" is a matter particle then...
    if(x == 0){
      n0 = n0 + 1
    }

    # If "x" is an antimatter particle then...
    if(x == 1){
      n1 = n1 + 1
    }

    # Delete number of particles proportional to the product of n0*n1
    n_del = rpois(1, m*n0*n1)
    n0 = max(0, n0 - n_del)
    n1 = max(0, n1 - n_del)

    # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
    res[i, 1:2] = c(n0, n1)
    res[i, 3]   = min(res[i, 1:2])/sum(res[i, 1:2])
    if(i %% 1e4 == 0 && sim %in% seq(1, n_sim, by = n_cores)){
      # plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
      # lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
      print(paste0(sim, ": ", i))
    }
  }
  return(res)
}

Y aquí están los resultados para varios valores de "m" (que controla la frecuencia con la que ocurre la aniquilación). Esta gráfica muestra la proporción promedio de partículas menores para cada paso (usando 100 simulaciones por valor de m) como la línea azul, la línea verde es la mediana y las bandas están a +/- 1 sd de la media:

El primer gráfico tiene el mismo comportamiento que mis simulaciones, y puede ver que a medida que m se hace más pequeño (la tasa de aniquilación en función del número de partículas se vuelve más rara) el sistema tiende a permanecer en un estado más simétrico (50/50 materia/antimateria ), al menos para más pasos.

Entonces, una suposición clave hecha por los físicos parece ser que la tasa de aniquilación en el universo primitivo fue muy baja, por lo que se pudieron acumular suficientes partículas hasta que se volvieron lo suficientemente comunes como para que ninguna de las dos sea "aniquilada" por completo.

EDITAR 5:

Ejecuté una de esas simulaciones de Poisson para 8 millones de pasos con m = 10 ^ -6 y puede ver que la dominancia tarda más en desarrollarse (se ve ligeramente diferente porque el relleno de 1 sigma no se trazaría con tantos puntos de datos):

Entonces, a partir de eso, concluyo que las tasas de aniquilación muy bajas solo retrasan el tiempo que lleva, en lugar de dar como resultado un resultado fundamentalmente diferente.

Edición 6:

Lo mismo sucede con m = 10^-7 y 28 millones de pasos. El gráfico agregado tiene el mismo aspecto que el anterior m = 10^-6 con 8 millones de pasos. Así que aquí hay algunos ejemplos individuales. Puede ver una clara tendencia hacia una especie dominante al igual que en el modelo original:

Edición 7:

Para terminar... creo que la respuesta a la pregunta ("¿por qué los físicos piensan esto?") está clara en mi conversación con Chris aquí . Chris no parece interesado en convertir eso en una respuesta, pero lo aceptaré si alguien escribe algo similar.