Bagaimana Proses Kemunculan Materi dari Ketiadaan? (Bagian 2)

Kelanjutan artikel dari: Bagaimana Proses Kemunculan Materi dari Ketiadaan?

Refleksi Nebula IC 2631 yang dicitrakan oleh Teleskop MPG/ESO. Entah di dalam galaksi kita atau di luar galaksi, tidak ditemukan bukti sinar gamma tipikal yang mengindikasikan antimateri.
ESO.

Entah bagaimana, seharusnya jumlah materi lebih banyak daripada antimateri di sejarah awal kosmos. Yang lebih membingungkan, fakta simetri antara materi dan antimateri dalam fisika partikel, bahkan sangat lebih eksplisit daripada yang kita pikirkan, misalnya: 

• setiap kali kita menciptakan quark, kita juga menciptakan antiquark,
• setiap kali satu quark hancur, satu antiquark juga hancur,
• setiap kali kita menciptakan atau memusnahkan satu lepton, kita juga menciptakan atau memusnahkan satu antilepton dari jenis lepton yang sama, dan,
• setiap kali satu quark atau lepton mengalami interaksi, benturan atau meluruh, jumlah total quark dan lepton saat akhir reaksi (quarks minus antiquark, lepton minus antilepton) jumlahnya akan tetap sama seperti semula.

Satu-satunya cara agar jumlah materi lebih banyak (atau lebih sedikit), adalah dengan menciptakan antimateri dengan jumlah yang setara.

Model Standar partikel dan antipartikel juga mengikuti semua hukum konservasi, namun ada sedikit perbedaan sifat antara pasangan partikel/antipartikel tertentu yang kemungkinan menyediakan petunjuk asal baryogenesis.
E. Siegel/Beyond The Galaxy

Tapi kita sebenarnya tidak tahu, satu-satunya yang tersisa adalah pertanyaan bagaimana hal itu bisa terjadi? Pada akhir tahun 1960-an, fisikawan Andrei Sakharov mengidentifikasi tiga kondisi bagi baryogenesis, atau penciptaan lebih banyak barion (proton dan neutron) daripada anti-barion.

1. Alam semesta tidak berada di sistem kesetimbangan.
2. Alam semesta  menunjukkan penyimpangan C dan CP.
3. Seharusnya ada sejumlah barion yang melanggar hukum fisika. 

Yang pertama mudah dijelaskan, karena alam semesta terus meluas dan mendingin partikel yang tidak stabil (dan/atau antipartikel) di dalamnya, terlepas dari sistem ketidakkesetimbangan. Yang kedua juga mudah, karena simetri “C” (menggantikan partikel dengan antipartikel) dan simetri “CP” (tercermin dari penggantian partikel dengan antipartikel), interaksi penyimpangan cukup lemah.

Subatomik partikel normal berputar berlawanan arah jarum jam di kutub utaranya, dan meluruh dengan emisi elektron di sepanjang arah kutub utara. Menerapkan simetri C menggantikan partikel dengan antipartikel, yang berarti kita harus memiliki anti subatomik partikel yang berputar berlawanan arah jarum jam di peluruhan kutub utara yang memancarkan positron ke utara. Demikian pula, simetri-P terbalik dari apa yang kita lihat di cermin. Jika partikel dan antipartikel tidak berperilaku sama persis di bawah simetri C, P, atau CP, maka simetri dikatakan menyimpang. Sejauh ini, interaksi penyimpangan cukup lemah.
E. Siegel/Beyond The Galaxy

Berarti hanya menyisakan pertanyaan tentang penyimpangan nomor barion. Dalam Model Standar fisika partikel, terlepas dari konservasi jumlah barion yang diamati, tidak ada hukum konservasi eksplisit untuk itu atau untuk nomor lepton (lepton adalah partikel seperti elektron atau neutrino). Sebaliknya, perbedaan terletak antara barion dan lepton, B-L yang terkonservasi. Jadi dalam situasi yang tepat, kita tak sekadar dapat menambah proton, namun juga bisa menambah elektron untuk mendapatkan jumlah yang sesuai.

Namun, kondisi semacam ini masih menjadi misteri. Pada tahap awal alam semesta, kita mengharapkan kesetaraan jumlah antara materi dan antimateri, dengan kecepatan dan energi yang sangat tinggi.

Temperatur panas alam semesta muda, tak sekadar menciptakan partikel dan foton secara spontan, namun juga memberi mereka energi yang cukup, termasuk antipartikel dan partikel yang tidak stabil, untuk menghasilkan sup partikel dan antipartikel purba.
Laboratorium Nasional Brookhaven.

Seiring ekspansi dan mendinginnya temperatur alam semesta, partikel yang sebelumnya tercipta sangat banyak mulai tidak stabil dan meluruh. Jika kondisi yang tepat terpenuhi, mereka dapat menyebabkan jumlah materi yang melampaui antimateri, walaupun sebelumnya jumlah mereka sebanding. Ada tiga penjelasan utama mengapa jumlah materi dapat melampaui antimateri:

• Fisika baru skala elektro lemah (penyatuan elektrodinamika kuantum dengan gaya lemah), bisa menyebabkan penyimpangan C dan CP di alam semesta, sehingga materi dan antimateri tidak simetris. Interaksi sphaleron (persamaan bidang elektron untuk partikel), yang menyebabkan penyimpangan B dan L secara terpisah (namun memproteksi B - L) dapat menghasilkan jumlah yang setara untuk barion dan lepton. Hal ini bisa terjadi dengan atau tanpa simetri, tergantung mekanismenya.
• Fisika neutrino baru energi tinggi yang memberikan kita banyak petunjuk, dapat menyebabkan asimetri lepton sejak dini, yaitu leptogenesis. Interaksi sphaleron, yang memproteksi B - L, akan menggunakan asimetri lepton dan menghasilkan asimetri barion.
• Atau, bariongenesis skala GUT, yaitu fisika baru (dan partikel baru) skala grand unification, ketika gaya elektro lemah menyatu dengan gaya yang lebih kuat.

Semua skenario ini memiliki beberapa elemen yang sama, jadi mari kita membahas yang terakhir saja seperti yang dicontohkan, untuk melihat apa yang bisa terjadi.

Kelanjutan artikel: Bagaimana Proses Kemunculan Materi dari Ketiadaan? (Bagian 3)