Барионная асимметрия Вселенной
14.11.2001 0:00 | "Физическая Энциклопедия"/Phys.Web.Ru
Барионная асимметрия Вселенной
- экстраполяция
на Вселенную в целом наблюдаемого преобладания
вещества над антивеществом
в нашем локальном
скоплении галактик.
Заключение об отсутствии сопоставимого
с веществом количества антивещества (в скоплении
галактик доля антивещества составляет
основано на экспериментальных поисках
аннигиляционных -квантов.
Количественной мерой асимметрии Вселенной служит величина
,
где и
-
концентрации барионов,
антибарионов
и реликтовых фотонов.
Концентрация реликтовых фотонов
известна достаточно хорошо - они имеют планковский
спектр с температурой , что соответствует
.
Плотность барионного заряда известна
гораздо хуже: ограничения на параметр замедления
расширения Вселенной из космологической плотности
вещества
дают ;
снизу n ограничено массой
видимого вещества галактик:
. Таким образом,
. При адиабатическом
расширении Вселенной
величина слабо зависит от времени.
Так, с момента t=10-6 с, что соответствует
температуре Вселенной
ГэВ
(см. Теория горячей Вселенной ), к
настоящему времени она уменьшилась приблизительно
в 5 раз из-за
подогрева фотонного газа
при аннигиляции тяжелых
частиц (изменения за счет возможных
процессов с
несохранением барионного числа B
не происходит, поскольку их скорости при
ГэВ пренебрежимо мала).
Физический смысл величины
состоит в том, что при
с она совпадает но порядку
величины с относительным
избытком барионов над антибарионами, поскольку при
ГэВ количество нуклон-антинуклонных
(кварк-антикварковых) пар и фотонов совпадает (с точностью до
числа степеней свободы). Таким образом, при
с на
барион-антибарионных пар приходился один избыточный
барион.
Величина является фундаментальной
характеристикой Вселенной.
Объяснение происхождения барионной асимметрии Вселенной
и величины - одна из ключевых проблем
современной космологии и
физики элементарных частиц. Конечно, можно
стать
на точку зрения, что Вселенная с самого начала была
глобально асимметричной, а величину а задать как
начальное условие. Такое "объяснение" ничему но
противоречит, однако оно представляется
неудовлетворительным.
Наиболее привлекательным является такое объяснение
происхождения барионной асимметрии Вселенной, в котором
принимается, что Вселенная сначала симметрична по
В, а затем на некотором
этапе возникает асимметрия в наблюдаемой части Вселенной.
Если закон сохранения барионного числа в
микропроцессах является точным, то для этого
необходима либо сепарация вещества и антивещества в
макроскопических масштабах (что считается трудно
осуществимым), либо "погребение" антибарионов в
черные дыры,
которые при условии нарушения
CP-инвариантности
могут разделять вещество и антивещество. Последний
подход рассматривался; однако для количеств, оценок
он требует дополнительных гипотез о существовании
тяжелых частиц, распадающихся с сильным нарушением
CP-инвариантности.
Наиболее естественным с точки зрения физики частиц
представляется подход, при котором барионное число не
сохраняется. Общие условия возникновения барионной асимметрии
Вселенной
при этом таковы. Взаимодействия, не сохраняющие В,
должны нарушать зарядовую симметрию C (см.
Зарядовое сопряжение), поскольку при сохранении
C скорости прямых и обратных процессов с
несохранением
В одинаковы. Аналогично должна нарушаться CP-инвариантность.
Наконец, эти процессы B-нарушающего
взаимодействия не должны находиться в термодинамическом равновесии, поскольку
тогда требование сохранения
симметрии CPT(см. Теорема CPT)
обеспечивает нейтральность системы по всем несохраняющимся
зарядам, в данном случае по B, то есть в
термодинамическом
равновесии B=0. Синтез моделей
великого объединения
и теории горячей Вселенной обеспечивает естественное
выполнение всех условии образования
барионной асимметрии
Вселенной, поскольку модели великого объединения
содержат C- и CP-несохраняющие взаимодействия,
нарушающие В, а
Вселенная при своем расширении и охлаждении проходит
стадию, когда эти взаимодействия выходят из
равновесия.
Предполагаемый механизм возникновения
барионной асимметрии Вселенной
таков. Согласно моделям великого объединения, в
природе существуют лептокварки (X)
-
частицы, переносящие
взаимодействия с несохранением В. Их масса
зависит от модели: векторные лептокварки обычно
имеют массу порядка ГэВ,
а скалярные
ГэВ. Вследствие C-
и CP-нарушения, а
также несохранения B при распаде лептокварков чаще
образуются кварки (q) и лептоны (l), чем
антикварки
() и антилептоны ().
Зарядово-симметричная часть
вещества плазмы в последующей эволюции Вселенной
аннигилирует в конце концов в фотоны, нейтрино
и
антинейтрино,
тогда как асимметричная часть остается,
давая начало наблюдаемому миру галактик, звезд
и т. п. Величина возникающей таким образом асимметрии
определяется как параметрами модели великого объединения,
так и законом эволюции Вселенной. Так, предположим,
что существует один лептокварк X,
который может
распадаться либо на два антикварка, либо
на кварк и
лептон с парциальными
ширинами соответственно Г1
и Г2. Тогда барионный заряд
BX, образующийся при
распаде X, равен ():
(Гtot - полная ширина распада).
Для
антилептокварка ,
распадающегося по схеме:
или
с ширинами и
,
.
В силу CPT-теоремы
,
однако
из-за несохранения C и CP
.
Поэтому микроскопическая асимметрия
.
Макроскопическая асимметрия получается при
этом порядка
,
где N - полное число степеней свободы всех частиц
(оно определяет увеличение числа фотонов за счет
аннигиляции остальных частиц), S - макроскопический
фактор подавления, учитывающий влияние симметричной
плазмы на распады лептоквариов. В рассмотренном
примере
где ,
( ГэВ
планковская масса).
При распады
лептокварков являются неравновесными и поэтому
весь избыток барионного заряда доживает до современной
эпохи. Если же , то частичное
термодинамическое
равновесие по процессам с несохранением В приводит
к уменьшению барионной асимметрии Вселенной. При
определенном выборе параметров модели можно прийти к такой
ситуации, когда
барионная асимметрия Вселенной практически не зависит от
начальных условий:
даже если в сингулярности был барионный избыток,
равновесный по взаимодействиям с несохранением B
период "стирает" начальное значение B, при выходе же из
этого периода Вселенная приобретает за счет
микропроцессов. Получаемая при этом величина
при
естественном выборе параметров составляет
.
Большие неопределенности в предсказании в
рамках
моделей великого объединения связаны с возможностью
существования различных механизмов нарушения
CP-инвариантности в этих моделях (например, при
спонтанном нарушении
CP-симметрии могут образовываться макроскопические
домены вещества и антивещества) и с недостаточным
знанием законов эволюции Вселенной на
ранних этапах ее расширения (возможная неоднородность
и анизотропность, влияние фазовых переходов
с изменением группы симметрии великого объединения
и так далее). Трудно оценить также вклад в
испарения
первичных черных дыр из-за незнания их спектра
и
концентрации на ранних этапах расширения Вселенной.
Вместе с тем близость оценки
к наблюдательным данным
приводит к заключению, что описанный механизм возникновения
барионной асимметрии Вселенной может соответствовать
действительности.
Публикации с ключевыми словами:
антивещество - барион - барионная асимметрия - барионная асимметрия Вселенной
Публикации со словами: антивещество - барион - барионная асимметрия - барионная асимметрия Вселенной | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> |