چرا گیتی عمدتا از ماده ساخته شده است نه از هیچ؟

این یکی از کهن ترین معماهای گیتی است: از آن جا که ماده و پادماده در برخورد با یکدیگر از بین میروند، و این هر دو شکل ماده در لحظه مهبانگ وجود داشته اند، چرا گیتی عمدتاً از ماده ساخته شده است نه از هیچ؟ این همه پادماده کجا رفت؟

یانو کوی، استاد فیزیک و نجوم دانشگاه کالیفرنیا، در سخنانی که این هفته به اشتراک گذاشته شد، گفت: «این واقعیت که عالم کنونی ما تحت سیطره ماده است، همچنان یکی از گیج کننده ترین و دیرینه ترین رازهای فیزیک مدرن است. یک نامتعادلی یا نامتقارنی ظریف میان ماده و پادماده در گیتی اولیه برای رسیدن به سیطره امروزی ماده لازم است، ولی در چارچوب شناخته شده فیزیک بنیادی قابل درک نیست.»

نظریه هایی وجود دارند که امکان دارد به این پرسش پاسخ دهند، ولی آزمودن آنها با استفاده از آزمایش های آزمایشگاهی بسیار دشوار است. اکنون، در مقاله جدیدی که روز پنج شنبه در مجله «فیزیکال ریویو لترز» (Physical Review Letters) منتشر شد، دکتر کوی و نویسنده همکارش، ژونگ ژی شیان یو، استاد فیزیک در دانشگاه تسینگ هوا در چین، توضیح می‌دهند که آنها ممکن است به منظور انجام آزمایش، روشی برای استفاده از پس تابش مهبانگ کشف کرده باشند.

نظریه ای که دکتر کوی و دکتر ژونگ- ژی قصد بررسی آن را داشتند با نام لپتوجنسیس (leptogenesis) شناخته می شود، فرایندی که واپاشی ذراتی را شامل می شود که می توانست به عدم تقارن بین ماده و پادماده در گیتی اولیه بینجامد. عدم تقارن در انواع خاصی از ذرات بنیادی در نخستین لحظات کیهان، به بیان دیگر، می توانست در طول زمان افزایش یابد و از طریق بر هم کنش های ذرات بیشتر، به عدم تقارن بین ماده و پادماده تبدیل شود که عالم هستی را آن گونه که ما می شناسیم ساخت- و حیات را- ممکن کرد.

دکتر کوی گفت: «لپتوجنسیس یکی از قانع کننده ترین سازوکارهایی است که عدم تقارن ماده- ضدماده را ایجاد می کند. این [سازوکار] یک ذره بنیادی جدید، نوترینوی راست- دست، را شامل می شود.»

دکتر کوی افزود اما تولید یک نوترینوی راست- دست به انرژی بسیار بیشتری از آنچه در برخورددهنده های ذرات روی زمین تولید می شود، نیاز دارد.

او گفت: «آزمایش لپتوجنسیس تقریبا ناممکن است، چرا که مرتبه های بزرگی جرم نوترینوی راست- دست معمولا فراتر از آن است که در بالاترین و پرانرژی ترین برخورددهنده انرژی ساخته شده، یعنی برخورد دهنده بزرگ هادرونی در دسترس است.»

دیدگاه دکتر کوی و همکارانش این بود که دانشمندان ممکن است به ساخت یک برخورد دهنده قدرتمندتر ذرات نیاز نداشته باشند، زیرا همان شرایطی که آنها می خواهند در چنین آزمایشی ایجاد کنند، پیش از این در برخی از نقاط گیتی اولیه وجود داشته است. دوره تورمی، دوره ای از انبساطِ نماییِ زمان و مکان که تنها کسری از ثانیه پس از مهبانگ ادامه داشت.

دکتر کوی گفت: «تورم کیهانی محیطی بسیار پرانرژی فراهم کرد که تولید ذرات سنگین جدید و همچنین برهمکنش های آنها را امکان پذیر کرد. کیهان تورمی دقیقا مانند یک برخورددهنده کیهانی عمل کرد، با این تفاوت که انرژی آن ۱۰ میلیارد برابر بزرگ تر از هر برخورددهنده ساخته دست بشر بود.»

علاوه بر این، نتایج آن آزمایش های طبیعی برخورددهنده کیهانی ممکن است امروزه در توزیع کهکشان ها و همچنین در تابش زمینه ریزموج کیهانی، حفظ شده باشد. تابش زمینه کیهانی یا به اصطلاح CMB همان پس تابش پس از مهبانگ است که اخترفیزیکدانان بخش بزرگی از شناخت فعلی شان از تکامل کیهان را از آن استنباط کرده و نتیجه گرفته اند.

دکتر کوی گفت: «بطور خاص، ما نشان می دهیم که شرایط ضروری برای ایجاد عدم تقارن، از جمله برهم کنش ها و جرم های نوترینوی راست ـدست، که در اینجا عامل مهمی است، میتواند اثرانگشتی متمایز را در آمار توزیع فضایی کهکشان ها یا پس زمینه ریزموج کیهانی از خود باقی بگذارد.»

او در ادامه گفت: «اگرچه این اندازه اندازه گیری ها هنوز باید انجام شود. مشاهدات اخترفیزیکی مورد انتظار در سال های آتی میتوانند احتمالا چنین سیگنال هایی را شناسایی کنند و منشا کیهانی ماده را آشکار کنند.»