Барионная ассиметрия Вселенной

БАРИОННАЯ АСИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ - наблюдаемое в окружающей нас части Вселенной преобладание вещества над антивеществом, экстраполируемое на Вселенную в целом (см. Барионы, Античастицы). Очевидно, антивещества нет на Земле, т. к. перемешанные вещество и антивещество мгновенно аннигилируют с выделением огромной энергии (см. Аннигиляция). Данные о метеоритных вспышках, межпланетном газе, солнечном ветре говорят, что антивещество отсутствует и в Солнечной системе. Более того, малое количество антипротонов и более тяжёлых антиядер в космических лучах, а также тот факт, что в межзвездном газе не происходит аннигиляции протонов (p) и антипротонов (), к-рую можно было бы наблюдать по появлению фотонов высокой энергии (g) от цепочки реакций , показывают, что антивещество в Галактике в больших количествах отсутствует.

Вопрос о присутствии антивещества в др. галактиках сложнее. Прямые наблюдения не исключают того, что нек-рые из этих галактик могли бы состоять из антивещества. Известны, однако, сталкивающиеся галактики. В ряде случаев большое число галактик, входящих в одно скопление, погружено в общее облако газа. В подобных случаях можно считать, что все эти галактики состоят из вещества одного типа.

Данные теоретич. и лабораторных исследований указывают на симметрию св-в частиц и античастиц: их массы в точности одинаковы, заряды равны и противоположны по знаку. При встрече частицы и античастицы аннигилируют. Естественно было бы считать, что симметрии св-в соответствует и симметрия распространённости, т. е. что во Вселенной число частиц и античастиц одинаково. Локально, т. е. в малой области пространства, такого, очевидно, быть не может из-за аннигиляции. В больших областях пространства в принципе можно представить себе ситуацию, когда одни области заполнены только веществом, другие - антивеществом, а в среднем количества вещества и антивещества одинаковы. Такое обособление вещества и антивещества вряд ли могло быть следствием каких-то начальных условий, т. к. первичная горячая плазма на ранних стадиях расширения Вселенной при несохранении количества барионов (см. ниже) в силу термодинамического равновесия локально содержала равное число частиц и античастиц (см. в ст. Космология). Предположение же о том, что между веществом и антивеществом имеются силы отталкивания, приводящие к их разделению в больших масштабах, противоречит совр. данным о св-вах элементарных частиц.

Т. о., общепринята точка зрения, что в окружающем нас мире нет антивещества, несмотря на определённую симметрию между частицами и античастицами.

Наличие во Вселенной вещества и отсутствие антивещества называют барионной асимметрией Вселенной, имея в виду, что существует вещество, состоящее из протонов и нейтронов, объединённых общим названием - "барионы", и отсутствует антивещество, состоящее из антибарионов (т. е. антипротонов и антинейтронов).

Отношение ср. плотности (концентрации) барионов во Вселенной n_B к ср. плотности фотонов реликтового излучения n_g ( 500 см³) явл. фундаментальной константой совр. космологии и, согласно существующим данным, равно

b = n_B/n_g = 10^-9

На совр. этапе эволюции Вселенной антивещества в ней практически нет, но на ранней стадии развития, когда темп-pa была достаточно высокой (Т > 10¹³К) и энергия фотонов превышала энергию покоя протона и нейтрона, количество частиц и античастиц должно было быть примерно равным: .

Иными словами, на каждый миллиард антибарионов в плазме содержался миллиард барионов и ещё один барион. В дальнейшем при расширении и охлаждении плазмы каждая частица нашла себе партнёра, с к-рым и проаннигилировала, образовав в конечном счёте фотоны. Эти фотоны и составляют значит. часть наблюдаемого сейчас реликтового радиоизлучения (см. Микроволновое фоновое излучение). "Лишние" же протоны и нейтроны, не найдя себе напарника для аннигиляции, послужили в дальнейшем "строительным материалом" нашего мира.

В совр. науке факт Б. а. В. и значение b определяются не из фундаментальной физ. теории, а из астрономич. наблюдений. Именно астрономич. наблюдения указали на необходимость такой перестройки теории элементарных частиц, к-рая могла бы объяснить Б. а. В.

По совр. представлениям, возникновение Б. а. В. явл. следствием трёх физ. явлений: отсутствия точной симметрии между частицами и античастицами, несохранения количества барионов, расширения Вселенной. Рассмотрим эти явления подробней.

1. Совр. теория утверждает, что частицы и античастицы обладают симметрией свойств. Это следует из т. н. СРТ-теоремы квантовой теории поля, согласно к-рой законы природы не изменятся, если от частиц перейти к античастицам (С-преобразование) и одновременно произвести замену координат r на -r (зеркальное отражение, или Р-преобразование) и изменить направление времени на обратное (Т-преобразование). В силу СРТ-теоремы, если в системе протекает к.-л. процесс с участием элементарных частиц, то в ней возможен и СРТ-сопряжённый процесс, в к-ром частицы заменены соответствующими античастицами, проекции их спинов изменили знак, а начальные и конечные состояния поменялись местами.

Эксперимент, однако, показывает, что относительно С-, Р- и Т-преобразований (инверсий) в отдельности симметрия немного нарушена. В частности, если частица нестабильна и может распадаться в разные конечные состояния, то вероятности распадов в данное конкретное состояние для частицы и в аналогичное (зарядово-сопряжённое) для античастицы оказываются несколько различными. Это явление наз. нарушением С- и СР- симметрии. Различие в вероятностях очень мало, но именно оно обеспечивает преимущественное выживание частиц вещества в нашем мире.

2. Согласно имеющимся экспериментальным данным, разность полного числа барионов и антибарионов, называемая барионным зарядом (B), явл. сохраняющейся величиной. Прежде всего об этом свидетельствует стабильность окружающего нас вещества - протонов и атомных ядер. Далее из опытов, выполненных на ускорителях, известно, что рождение антибариона в к.-л. реакции обязательно сопровождается рождением бариона, так что разность между полным числом барионов и антибарионов в начальном и конечном состояниях остаётся неизменной. Если барионы действительно сохраняются, то сколько барионов находилось с "самого начала" в нашей Вселенной, столько же и должно остаться в ней навсегда.

Однако с каждым известным сохраняющимся зарядом связана безмассовая частица - переносчик взаимодействия с этим зарядом (напр., фотон для частиц, обладающих электрич. зарядом). Можно считать установленным, что для барионного заряда подобной частицы не существует. Более того, теоретические Великого объединения модели предсказывают, что барионный заряд действительно не сохраняется, что наблюдаемая стабильность протона явл. лишь приближённой. Опыты по поискам распада протона пока не дали однозначных результатов. Не исключено, что определение времени жизни протона лежит за пределами совр. экспериментальных возможностей. В этом случае лишь астрономия (а именно: данные об отсутствии антивещества во Вселенной) может свидетельствовать о несохранении барионов.

Один из возможных путей, ведущих к несохранению барионного заряда, связан с распадом Х-бозонов - тяжёлых частиц, предсказываемых моделями великого объединения. Х-бозоны могут распадаться двумя способами: на пару кварков (qq) и на антикварк и антилептон (). В первом случае барионный заряд конечного состояния равен ²/₃, а во втором равен -¹/₃. Если бы законами физики был разрешён только один из этих распадов, то барионный заряд остался бы сохраняющимся, при этом пришлось бы приписать некий барионный заряд Х-бозону. Именно наличие двух путей распада одной и той же частицы, ведущих к различным барионным зарядам в конечном состоянии, определяет несохранение В. Если первый процесс провести в обратном направлении, а затем включить второй: , то в сумме барионный заряд В изменится на единицу.

Аналогичная ситуация возможна для анти-Х-бозонов: , причём в силу нарушения С- и СР-симмет-рий вероятность распада (X qq) не равна вероятности зарядово-сопряжённого распада (). Поэтому при распаде симметричной смеси Х- и родится различное число барионов (кварков) и антибарионов (антикварков).

Эффект несохранения В в распадах Х-бозонов велик, но при энергиях, достижимых в совр. лабораториях, несохранение В настолько мало, что пока не обнаружено. Это связано с гигантской величиной массы Х-бозонов (предположительно, m_X > 10¹⁴-10¹⁵ ГэВ). Вероятность процессов с их участием содержит фактор (e/m_X)⁴, где e - характерная энергия в данном процессе. Очевидно, что с ростом энергии вероятность несохранения В растёт, и при энергиях ~10¹⁴-10¹⁵ ГэВ процессы с несохранением барионного заряда должны происходить с той же примерно вероятностью, что и процессы с его сохранением. К сожалению, пока нет и, по-видимому, ещё долго не будет ускорителя, на к-ром можно было бы непосредственно изучать законы взаимодействия частиц при таких энергиях. Однако самопроизвольный распад протона, если он будет обнаружен, косвенно позволит нам "заглянуть" в область этих сверхбольших энергий. Несохранение барионного заряда могло бы проявиться также в рождении антинейтронов в пучке свободных нейтронов - в т. н. нейтрон-антинейтронных осцилляциях. Их поиск также ведётся. В этих осцилляциях барионный заряд должен меняться сразу на две единицы.

Если в истории развития Вселенной был период, когда темп-pa была ~10¹⁴-10¹⁵ ГэВ (10²⁷ - 10²⁸К), а плотность ~ 10⁷⁵ г/см3, то в это время несохранение барионного заряда должно было быть велико, в частности за счёт того, что в первичной плазме при такой темп-ре могли рождаться Х-бозоны. Именно тогда из-за отличия в св-вах частиц и античастиц и мог возникнуть небольшой избыток барионов. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, средние расстояния между частицами росли, энергии падали и процессы, приводящие к несохранению барионов, постепенно выключались. Это вскоре привело к практически точному сохранению барионов и позволило небольшому избытку барионов, возникшему на сверхплотной стадии развития Вселенной, дожить до нашего времени в виде наблюдаемого во Вселенной вещества.

3. В приведённых рассуждениях существенную роль играет нестационарность Вселенной. Дело в том, что изолированная система, достаточно долго находящаяся в стационарном состоянии, обязательно приходит к термодинамич. равновесию. А в равновесном состоянии при несохранении В количество барионов равно количеству антибарионов. Это явл. следствием СРТ-теоремы. Но поскольку Вселенная нестационарна (расширяется), термодинамич. равновесие оказывается нарушенным. При этом из-за нарушения С- и СР-симметрий и несохранения барионного заряда число барионов обязательно не будет равно числу антибарпонов.

Величину b в обсуждаемой модели можно выразить через параметры, характеризующие взаимодействия Х-бозонов, их массу и темп расширения мира:

b > (0,1 - 0,01)H_mt ^. DB

где H_m- постоянная Хаббла в момент, когда темп-pa первичной плазмы (энергия частиц) в энергетич. ед. была равна массе Х-бозонов, t - время жизни Х-бозонов, а DB- разность вероятностей распада . Можно с достаточной уверенностью сказать, что DB << 1, но точность полученных теоретич. результатов колеблется в пределах 2-3 порядков. Хотя выводы теории имеют лишь качественный характер, они оказываются существенными для определения структуры Вселенной. Неизвестная величина отношения n_B/n_g должна быть, по-видимому, везде одинаковой. Следовательно, при малых возмущениях однородности Вселенной на ранних стадиях её эволюции плотность барионов и плотность фотонов (излучения) меняются пропорционально. На основе этой взаимосвязи можно сделать определённые выводы о характере совр. структуры Вселенной (существовании сверхскоплений галактик, их расположении и др.).

Лит.: Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Вещество и антивещество во Вселенной, "Природа", 1982, 8; их же, Космология и элементарные частицы, "УФН", 1980, т. 130, в. 4, с. 559.

(А.Д. Долгов, Я.Б. Зельдович)