SAAN NANGGALING ANG MATTER?

 Sinasabi, at tama nga naman, na ang Cosmology ay ang branch ng Physics na nagtatanong ng pinakamalufet na katanungan. Pagtapos ng lahat, may mangilan-mgilan na katanungan ang kasingbigat sa impact ng tanong na: “Saan nanggaling ang universe?” o “Anong mangyayari sa universe/ano ang tadhana nito?” o “Saan nanggaling ang matter na bumubuo sa ating katawan?”

       Ngunit datapwat subalit mas nakakaexcite pang sagutin ang mga katanungang ito kaysa sa tanungin lang natin pero wala naman tayong kapangyarihan para sagutin ito, pwera na lang kung maglalaan tayo ng panahon para sa masusing pag-aaral dito.

Antimatter 

Quarks

          Karamihan sa atin ay natutunan nung high school pa tayo na ang matter ay binubuo ng atoms at ang atoms naman ay binubuo ng protons, neutrons, and electrons. Ang hindi natin alam at di masyadong napag-aralan nung High School ay sa bawat particle ng matter ay meron pang isang particle, ang “anti-particle,” na halos kapareho ng particle na yun ngunit may opposite electric charge. 

       Dahil dito, ang negatively charged electron ay merong “anti-electron,” na tinatawag na positron, na merong positive electric charge; ang proton ay merong anti-proton, and so on. At tumungo naman tayo sa interesadong part ng ating topic. Ayon sa laws of particle physics, ang matter at antimatter ay dapat lumulutang sa universe na may equal amounts. At sa kabila nun, meron tayong malawak na observational evidence na, at least sa napakalaking volume na nakapaligid sa atin at nag-eextend far beyond our galaxy, ay mas maraming matter kaysa sa antimatter.

       Kapag ang particles ay nagcollide sa kanilang anti-particles, ang epekto ay devastating; sila pareho ay magdudulot ng electromagnetic radiation, ang kanilang energy ay nagcacarried away sa neutral particles na tinatawag na photons.  Sa madaling salita, kung magkasingdami nga ang antimatter at matter sa universe, wala tayo dito para magtanong ng malulufet na katanungan. Ang universe ay sa ibang pagkakataon ay hindi balanse, mas marami ang existence ng matter sa antimatter. Isa sa mga greatest challenges sa modernong kosmolohiya ay ang isiwalat ang ugat ng sinasabing cosmic imperfection.

Pagdating naman sa scientific explanation, kailangan natin ng ilang “basic ingredients,” isang kakarampot na piraso ng kaalaman kung saan tayo ay makakabuo ng mga representasyon sa pamamagitan ng mga modelo. Ang unang ingredient na kailangan natin ay ang Big Bang model of cosmology. Ayon sa model na ito, ang maliit na fraction ng oras (o segundo) pagkatapos ng “simula,” maraming uri ng particles at ang kanilang anti-particles, sa equal na amounts, ay naglibot at nagkabanggaan sa isa’t isa at nababad sa napakataas na temperatura, na parang isang kumukulong lugaw pangkalawakan na gawa sa magma.

            Sa loob nitong outer space oven, maraming iba’t ibang uri ng particles ang naluluto, not necessarily ang pamilyar na quarks (ang bumubuo sa protons at neutrons) or electrons. Sa patuloy na paglapad at paglamig ng universe, isang uri ng selection mechanism na hindi lang pabor sa pagkabuo ng maraming bilang ng quarks at electrons kumpara sa ibang uri ng particles, at ito rin ay nag-generate ng sobra pang bilang ng particles kumpara sa anti-particles. Nang makaligtas sa isang malaking pagsabog ang mga particles na ito kasama ang kanilang pinsan na mga antimatter, ang mga excess particles ay nag-evolve patungo sa pagiging isang complex structures, hanggang sa maging atoms, karamihan dito ay hydrogen, na nabuo nung ang universe ay 300,000 years old pa lang. Ngunit, kung ating susuriin, paano natin maiintindihan at paano ipapaliwanag ng Physics upang ito ay ating paniwalaan?

 

    Sa una, ang pagsagot sa tanong na ito ay parang imposible. Paano nga ba natin maiintindihan ang mekanismo na pumili sa existence ng matter na mas higit ang dami kesa antimatter noong mga unang stages pa lang ng evolution ng universe? Noong 1968, si Andrei Sakharov, kilalala sa pagiging “father” ng Soviet bomb, ay nagproposed ng formula upang makapag-generate ng mas maraming matter kesa antimatter sa isang universe na patuloy na nag-eexpand.      

                   Noong 1964, si J. H. Christenson and tang kanyang mga alagad ay nakahanap ng experimental evidence na ang interactions sa pagitan ng mga baryons ay umaayon sa minungkahing formula ni Sakharov.

       Ito ay nagpapahiwatig na para bang ang Nature ay may sariling paraan ng pagpili, at pagkakataong ito ay sa pagkakaroon ng maraming baryons. Kung ito man ay may napatunayan sa isang eksperimento sa laboratoryo, walang duda na ito rin ay maaaring totoo at mapapatunayan sa sinaunang pagkalikha ng ating universe. Ang pagkakabuo ng mga sobrang matter kumpara sa antimatter ay hindi na ganun kahirap isipin gaya nung una. Subalit, hindi pa dito nagtatapos ang kwento. Isa pang challenge ang natitira, na may kinalaman sa physics ng maiinit na bagay (hot systems), na kilala rin sa katawagan na thermodynamics.  

       Isa sa mga katangian ng  sobrang init  na bagay (hot systems) ay ang pagiging makakalimutin sa nakaraan o wala silang natitirang memory ng kanilang past. For example, merong isang kutsarita na hindi mainit at ilubog mo ang isang dulo sa sobrang init na kape, anong mangyayari? Kahit na sa umpisa yung part lang ng kutsarita na nakalubog sa kape ang mainit, pagkalipas ng ilang saglit, pantay pantay na rin ang init ng buong part ng kutsarita. Pag tinanggal mo na yung kutsarita sa tasa ng sobrang init na kape, hindi mo na masasabi kung aling part ba ung nilubog mo unless tiningnan mo; the system (coffee spoon and hot coffee) lost its “memory.” Ang iba pang term na ginagamit para tukuyin ang pagkawala ng memorya na ito ay thermal equilibrium. Kung ang early universe ay nasa thermal equilibrium, anumang sobrang baryons ay madedelete na; sa equilibrium, ang bilang ng baryon number ay zero. Upang mapanatili ang bilang ng baryon bias habang ang universe ay patuloy na lumalamig, kailangang siguraduhin na ang universe ay hindi magkakaroon ng “memory loss” at hindi madedelete ang mga bagong baryons. Kaya, kailangan pa natin ng pangatlong kondisyon.

Kailangan natin ang mga kondisyon na tinatawag na “out of equilibrium”. Para mapanatili o ma-“freeze” ang bilang ng baryons na nabuo sa unang dalawang kondisyon, maaari nating sabihin na ang early universe ay maaaring hindi lagi nasa thermal equilibrium.  Pamilyar tayo sa mga “systems” na out of thermal equilibrium sa ating pang araw-araw na buhay.  Isang example ay ang condensation ng steam. Mas specific na example ay ang container na puno ng mainit na steam na nakalubog sa malaking container na may malamig na tubig. Ang steam, na mas mataas ang temperatura o sobrang init kumpara sa malamig na tubig, ay out of thermal equilibrium. At para maabot ang sinasabing equilibrium, ito ay kinakialngang sumailalim sa isang phase transition; ang steam ay kailangan munang lumamig at dumaan sa proseso ng condensation, mula sa pagiging gas phase patungo sa pagiging liquid phase. At kapag ito ay naganap na, ating oobserbahan ang patak ng tubig na dadami at magsasama-sama. Ang phase transition ay magtatapos kapag ang steam ay completely converted na into water.

       Paano naman ito maiaapply sa kalagayan n gating sinaunang universe? Weird man itong pakinggan, ang universe ay dumaan din sa phase transitions. Ang particles—at ang kanilang properties—ay sensitibo rin sa temperatura. Ang standard model ng particle physics ay matagumpay na dinescribe kung paano ang particles ay nag-iinteract sa enerhiya higit pa sa ikasanlibong beses ng dami kesa nuclear energies. Ayon sa modelong ito, sa pinakamataas na temperature ang lahat ng particles maliban sa isa, ang kilala rin sa tawag na Higgs particle, has no mass, habang sa mababang temperatura sila ay nakakapag-acquire ng mass sa pamamagitan ng kanilang interactions sa Higgs particle. Sinasabi nating ang matter ay may dalawang magkaibang “phases,” sa mataas at mababang temperatura kung saan ang mga particles tulad ng quarks at ng electron ay nakakapag-acquire ng mass.        Kaya, kung ang temperature ng ating early universe ay bumaba, ito ay sumailalim sa isang phase transition, at ang mga particles ay nakapag-gain ng kanilang mass.  Gaya ng mga patak ng tubig na nanggaling sa steam, ang mga droplets na galing sa low temperature (massive) phase na nagpapakita sa loob ng high temperature (massless) phase, ay patuloy na dumarami at nagsasanib pwersa, sa isang typical na out-of-equilibrium phase transition. At dahil nga sa high temperature phase kaya ng baryons ay nalikha ng mas marami kesa anti-baryons (recall that the first two conditions apply only at high temperatures), ang mga sobrang baryonic particles ay magpe-penetrate sa droplets ng massive phase, gaya ng mga viruses na nag-iinvading sa mga cells, na nagiging iba pang bilang ng baryon sa low temperature phase. Habang ang mga baryon ay dumarami at nagsasama-sama, ang buong universe ay nagging isang napaka-massive, at kumumpleto sa phase transition. Ayon sa ating kasalukuyang modelo ng “baryogenesis,” ang pagkabuo ng excess baryons ay nag-occur nung ang universe ay one thousandth of a billionth of a second old pa lamang. Ang protons at neutrons na bumubuo sa atin ay ang mga fossils lamang ng sinaunang pangyayari sa ating universe.

       Ngunit dito na nga ba nagtatapos? Nasagot nab a ang katanungan sa ating isip kung saan nagmula ang matter? Malayo pa. Ang napaksimpleng particle physics models na meron tayo ay hindi nakapag- generate ng obserbasyon sa sobrang daming bilang ng matter higit sa antimatter. Mas malala pa, ang tunay na pagkakaintindi natin sa kumplikadong dynamics ng mga phase transitions ay kulang pa, na nag-iwan pa ng marami pang katanungan sa ating isipan. Marami tayong eksplanasyon sa pagkabuo ng matter sa ating universe, ngunit ang mga detalye ay mahirap intindihin at paniwalaan.