¿Por qué se supone que el Big Bang produjo partes iguales de materia y antimateria?

Es bien sabido que una gran pregunta abierta en la física es por qué el Universo parece estar hecho casi en su totalidad de materia, casi sin antimateria, a pesar de que los dos son estrictamente simétricos según el modelo estándar. Sé que tiene que ver con la ruptura de la simetría CP de alguna manera. Al investigarlo, me siguen diciendo en las primeras oraciones algo como "al principio, había tanta materia como antimateria". ¿Pero por qué? Lo que nunca se explica en el material de mi curso o en cualquier tratamiento popular del tema es por qué se supone que el Big Bang daría como resultado una proporción de 50-50 en primer lugar, lo que luego requeriría algunos otros hasta ahora desconocidos. mecanismo para crear un exceso de materia regular y romper la simetría.

Esto es lo que no entiendo: dado que estamos discutiendo las condiciones de contorno del Universo, ¿por qué la relación inicial no podría establecerse arbitrariamente? De hecho, ya observamos una falta de antimateria, por lo que un Universo que siempre fue principalmente materia desde el principio, ¿no sería la suposición más parsimoniosa? En resumen, ¿qué parte del marco teórico del modelo estándar nos hace esperar que el Universo primitivo haya sido simétrico en contenido, en lugar de simplemente contener un exceso de materia "porque es así"?

(Aparte, sí, "porque es así" es una respuesta frustrante para cualquier pregunta científica, pero finalmente tiene que llegar a ella. Conceptualmente, un Universo perfectamente equilibrado es atractivo debido a la simplicidad y elegancia de las matemáticas detrás pero ya sabemos por el hecho mismo de que existimos que no podría ser perfectamente simétrico, o estaría vacío e inmutable. ¿Qué diferencia hay si ponemos esa asimetría en las condiciones de contorno en lugar de las leyes físicas?)

Además, en un ingenuo experimento mental de muchos mundos, me parece que, siendo el Universo de un tamaño gigantesco pero desconocido y la cantidad original de materia antes de la aniquilación también desconocida, casi cualquier proporción inicial, salvo un equilibrio casi perfecto, habría dado como resultado en un Universo mayormente de materia (si la antimateria hubiera ganado, tendríamos una terminología invertida), con la alternativa abismalmente menor de ser un Universo vacío. Así que esto ni siquiera se siente como un caso de ajuste fino. El resultado de la simetría perfecta habría sido mucho más "improbable". Supongo que hay una falla en esa línea de razonamiento, por supuesto, pero no me queda claro. ¿Podría alguien con una comprensión más profunda del campo señalarlo, por favor?

Entiendo que esta es una pregunta muy ambiciosa, así que discúlpeme si está más allá de mis capacidades. Para darle una idea de mi nivel, soy equivalente a una maestría en física, por lo que entiendo los conceptos básicos del modelo estándar y algunos de los principios de la unificación de energía superior, pero no estudié ninguno de los alternativos. teorías

A modo de explicación no matemática, generalmente se ha asumido que la simetría C o la simetría de carga se mantienen en QFT. Esto significa que si creamos un universo con solo materia y uno solo con antimateria, evolucionarían de manera idéntica; el sistema sería invariante a esto. Esto implicaría que al evolucionar desde algún estado base (un estado desconocido de la materia en el universo muy temprano) no existiría preferencia por la materia o la antimateria, lo que implica un universo 50/50. Sin embargo, este no es el caso evidentemente.
@Stoby Un lápiz parado en su parte superior puede caer hacia la derecha o hacia la izquierda sin preferencia. Esta invariancia no implica que el lápiz termine cayendo hacia ambos lados simultáneamente.
@DiracDelta " el Universo parece estar hecho casi en su totalidad de materia, casi sin antimateria ": esto no es exactamente exacto, porque no hay una definición por la cual la materia sea diferente de la antimateria. Por ejemplo, nada nos impide declarar "materia" a todas las partículas elementales positivas y "antimateria" a todas las negativas. Entonces todos los electrones son antimateria sin contradicción. Si también asume que todos los quarks están hechos de tres partículas, entonces las cantidades de materia y antimateria en el universo son iguales, solo que están dispuestas de manera diferente: en.wikipedia.org/wiki/Rishon_model
@safesphere seguro, esto es cierto, pero el universo no es un lápiz, a modo de analogía, podríamos imaginarlo como miles de millones de lápices de pie, en cuyo caso las estadísticas de su caída arrojarían proporciones de 50/50 (suponiendo un mecanismo de caída de dos estados).
@Stoby Mi punto es que está haciendo una suposición implícita que no está justificada tal como se da y, por lo tanto, representa un paso faltante en su lógica. Asumes que la creación de cada partícula como partícula o antipartícula es un proceso independiente en oposición a una simetría subyacente desconocida que gobierna la creación de todas las partículas en el momento inicial. Además, la división de partículas en "partículas" y "antipartículas" es arbitraria y se hace simplemente en base al hecho experimental de su abundancia. Nada nos impide ver los electrones como "antipartículas" y los positrones como "partículas".
@safesphere Creo que probablemente estemos de acuerdo en más de lo que discrepamos aquí 😂, simplemente afirmo que sin alguna condición que proporcione la asimetría, deberían existir en cantidades simétricas. Evidentemente, este no es el caso, por lo que tal condición debe existir. Por supuesto, los nombres antipartícula y partícula son arbitrarios, pero eso es una cuestión de semántica, no de ciencia.
La simetría visible puede haberse deshecho si nuestro universo es local, es decir, causalmente separado de otros universos locales, como se propone en modelos de multiversos como la "cosmología con torsión" basada en agujeros negros de Poplawski (descrita en muchos artículos desde 2010). Usando la teoría de Einstein-Cartan (que requiere una extensión espacial para los fermiones), en combinación con la separación de los socios en pares virtuales de fermión/antifermión por el horizonte de cualquier estrella giratoria que colapsa gravitacionalmente, su interacción con los fermiones estelares más grandes hace girar a los socios internos de dichos pares hacia afuera para formar cualquier LU.
He votado a favor de la respuesta de Kyle Oman, ya que parece compatible con mi comentario anterior y agrega información más sofisticada. Con respecto al comentario en sí, había tenido problemas para sortear la visión de pares de partículas/antipartículas haciendo otra cosa que no fuera acercándose para su aniquilación mutua, pero, en realidad, creo que podrían estar separados por cualquier cantidad de espacio y, de hecho , la cosmología de Poplawski parece sugerir una secuencia posiblemente pasada y futura eterna de LU en escalas decrecientes de espacio y tiempo.
physics.stackexchange.com/questions/556528/… Esto podría responder a su pregunta.

Respuestas (2)

La motivación más fuerte para cantidades inicialmente iguales de materia y antimateria en realidad no proviene del modelo estándar sino de la cosmología: hay una cantidad asombrosamente grande de fotones en el Universo, en relación con los bariones. 1 . Es posible llegar a esta conclusión de un par de maneras diferentes. Una es observar el fondo cósmico de microondas, que es el mayor contribuyente individual a la densidad total del número de fotones en el Universo. Tiene una densidad de energía de aproximadamente 0.25 mi V C metro − 3 , que da como resultado aproximadamente norte γ = 500 pag h o t o norte C metro − 3 . Compare esto con la densidad de energía bariónica de aproximadamente 240 mi V C metro − 3 , lo que resulta norte b a r = 2.6 × 10 − 7 pag r o t o norte C metro − 3 . Hay por lo tanto sobre norte γ / norte b a r ∼ 2 × 10 9 pag h o t o norte b a r y o norte − 1 .

Entonces, el argumento es que en los primeros tiempos había cantidades casi iguales de materia y antimateria, la mayoría de las cuales (excepto alrededor de una parte por billón) se aniquilaron en fotones. Esto conduce a un problema de ajuste fino: ¿por qué hubo un 10 − 9 exceso de materia sobre antimateria en las condiciones iniciales? - o, en su lugar, puede intentar invocar un proceso asimétrico CP para romper la simetría inicial de materia/antimateria. La mayoría de los físicos y cosmólogos se sienten más cómodos con la última opción; tendemos a ser muy reacios a los ajustes finos.

1 Estoy usando el barión del astrónomo aquí, que es un término vago que abarca más o menos toda la materia no relativista (principalmente átomos, leptones), pero no la materia oscura (cosmológica), los neutrinos o los fotones.
¡Gracias! No estaba al tanto de esta observación. No esperaba que hubiera evidencia observacional, pero tiene sentido que el exceso de fotones vendría de la aniquilación considerando que las únicas otras formas en las que puedo pensar involucrarían la interacción con bosones de corto alcance y corta duración, que serían rápidamente suprimidos por la expansión del espacio-tiempo.
Me acabo de dar cuenta de que olvidé etiquetar esta respuesta como aceptada en ese entonces, así que aquí voy. Gracias de nuevo.

El significado matemático de una singularidad es que no podemos definir cantidades matemáticas. Como no podemos definir cantidades matemáticas, no tenemos idea de la física en la singularidad inicial. Cualquier cosa que asumamos es, por lo tanto, una especulación. No podemos saber si el universo fue creado de la nada y, de ser así, si fue creado con un desequilibrio materia-antimateria, o si hubo algo antes de la singularidad inicial que dio lugar al desequilibrio materia-antimateria.

Sabemos, debido a las altísimas energías y densidades justo después de la singularidad inicial, que la materia y la antimateria existían en cantidades casi iguales, y sabemos que después de que se aniquiló, quedó una pequeña proporción de materia. No sabemos cómo sucedió esto.

Sin embargo, podemos hacer suposiciones e intentar deducir cuál sería la conclusión de esas suposiciones. Tales suposiciones no son teoría científica, son hipótesis que podemos intentar probar.

Una suposición es que la materia y la antimateria deberían haberse creado de la nada en cantidades exactamente iguales. Hay una serie de problemas con esta suposición, pero tiene el mérito de encajar con lo que sabemos de la creación de pares. Por otro lado, viola cualquier forma de conservación de la energía que podamos formular razonablemente, y requiere postular algún proceso físico no observado para explicar el desequilibrio materia-antimateria, aunque, al menos superficialmente, tal proceso violaría el principio general de la relatividad. que las leyes de la física son iguales en todas partes.

Personalmente no me gusta esa suposición. Prefiero pensar que el Big Bang siguió a un estado anterior desconocido (quizás un universo cíclico, aunque eso requiere una explicación de por qué los parámetros cosmológicos observados parecen no encajar en un universo cíclico).

Cualquiera que sea la suposición que se elija, uno debe ser consciente de que es solo una suposición, una especulación no respaldada por evidencia. En consecuencia, uno debe estar preparado para abandonarlo si se descubre evidencia en contrario. Todo lo que diría es que si un autor presenta una suposición especulativa como si fuera ciencia establecida, debe desconfiar inmediatamente del juicio científico de ese autor.

@safesphere, no encuentro convincentes los argumentos para un universo infinito, arxiv.org/abs/1603.02568 , y tiendo a pensar en términos de un universo cíclico finito o, más especulativamente, del espacio-tiempo creado a partir de un estado anterior de materia-antimateria en la que menos antimateria participó en la creación. Aunque no es posible definir un tiempo global para tal estado, creo que el tiempo adecuado es una propiedad de las partículas individuales, que se refleja en las líneas de tiempo de las partículas que se ven en los diagramas de Feynman. Sin embargo, es muy difícil discutir tal cosa aquí.
Sin postular nada fuera de la física conocida, a las energías antes de aproximadamente 1 segundo, habría una producción espontánea de pares. antes de 10 − 10 sec (que representa las energías alcanzables en los aceleradores) debería haber cantidades aproximadamente iguales de materia y antimateria.
Acepté que la diferencia absoluta es fija, pero no tengo ningún problema con la métrica de Friedmann como primera aproximación (ver el enlace anterior), siempre que sea sensato especificar una métrica, lo que no puede ser cierto cerca de una singularidad . En realidad, no estoy de acuerdo con que QFT asuma un espacio-tiempo plano o, de hecho, ningún espacio-tiempo. Veo el espacio-tiempo como emergente y la estructura subyacente descrita en los diagramas de Feynman como fundamental. En mis libros y en Implicaciones Matemáticas del Relacionismo busco mantener esta estructura cuando el espacio-tiempo deja de tener sentido.
¿Por qué se supone que el Big Bang produjo partes iguales de materia y antimateria?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v