Бариогенез - Baryogenesis

В физической космологии , бариогенезис это физический процесс , который гипотетически произошли во время ранней Вселенной , чтобы произвести барионной асимметрии , то есть дисбаланс вещества ( барионов ) и антивещество (антибарионов) в наблюдаемой Вселенной .

Одна из нерешенных проблем современной физики - преобладание материи над антивеществом во Вселенной . Кажется, что Вселенная в целом имеет ненулевую положительную плотность барионного числа. Поскольку в космологии предполагается, что частицы, которые мы видим, были созданы с использованием той же физики, которую мы измеряем сегодня, обычно можно ожидать, что общее барионное число должно быть равно нулю, поскольку материя и антивещество должны были быть созданы в равных количествах. Для объяснения этого несоответствия предлагается ряд теоретических механизмов, а именно определение условий, которые способствуют нарушению симметрии и созданию нормальной материи (в отличие от антивещества). Этот дисбаланс должен быть исключительно небольшим, порядка 1 в каждом1 630 000 000 (~ 2 × 10 ⁹ ) частиц через малую долю секунды после Большого взрыва. После того, как большая часть вещества и антивещества была аннигилирована, то, что осталось, было всей барионной материей в текущей Вселенной, а также гораздо большим количеством бозонов . Однако эксперименты, проведенные в Fermilab в 2010 году, похоже, показывают, что этот дисбаланс намного больше, чем предполагалось ранее. Эти эксперименты включали серию столкновений частиц и обнаружили, что количество сгенерированного вещества было примерно на 1% больше, чем количество сгенерированного антивещества. Причина такого несоответствия пока не известна.

Большинство теорий великого объединения явно нарушают симметрию барионного числа , что объясняет это несоответствие, обычно вызывая реакции, опосредованные очень массивными X-бозонами (
Икс
) или массивные бозоны Хиггса (
ЧАС⁰
). Скорость, с которой происходят эти события, во многом определяется массой промежуточного звена.
Икс
или
ЧАС⁰
частиц, поэтому, предполагая, что эти реакции ответственны за большую часть наблюдаемого сегодня барионного числа, можно вычислить максимальную массу, выше которой скорость будет слишком медленной, чтобы объяснить присутствие материи сегодня. Эти оценки предсказывают, что в большом объеме материала иногда будет происходить спонтанный распад протона , который не наблюдался. Поэтому дисбаланс между материей и антивеществом остается загадкой.

Теории бариогенеза основаны на различных описаниях взаимодействия между элементарными частицами. Две основные теории - это электрослабый бариогенез ( стандартная модель ), который мог бы произойти во время электрослабой эпохи , и бариогенез GUT , который произошел бы во время или вскоре после эпохи великого объединения . Для описания таких возможных механизмов используются квантовая теория поля и статистическая физика .

За бариогенезом следует первичный нуклеосинтез , когда начали формироваться атомные ядра .

Нерешенная проблема в физике :

Почему в наблюдаемой Вселенной больше материи, чем антивещества?

(больше нерешенных задач по физике)

Фон

Большая часть обычного вещества во Вселенной находится в атомных ядрах , которые состоят из нейтронов и протонов . Эти нуклоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, и, согласно уравнению Дирака в 1928 году, существуют эквиваленты антивещества для каждой . С тех пор каждый вид антикварка был экспериментально подтвержден. Гипотезы, исследующие первые несколько мгновений Вселенной, предсказывают состав с почти равным количеством кварков и антикварков. Как только Вселенная расширилась и остыла до критической температуры примерно2 × 10 ¹² К кварки объединились в обычную материю и антивещество и начали аннигилировать до небольшой начальной асимметрии примерно в одну часть из пяти миллиардов, оставив материю вокруг нас. Свободные и отдельные отдельные кварки и антикварки никогда не наблюдались в экспериментах - кварки и антикварки всегда находятся группами по три ( барионы ) или связаны кварк-антикварковыми парами ( мезоны ). Точно так же нет экспериментальных доказательств того, что в наблюдаемой Вселенной есть какие-либо значительные концентрации антивещества.

Есть две основные интерпретации этого несоответствия: либо Вселенная началась с небольшого предпочтения материи (полное барионное число Вселенной отличалось от нуля), либо Вселенная изначально была совершенно симметричной, но каким-то образом набор явлений способствовал небольшому дисбалансу. в пользу материи с течением времени. Вторая точка зрения предпочтительна, хотя нет четких экспериментальных доказательств, указывающих на то, что какая-либо из них является правильной.

Бариогенез GUT в условиях Сахарова

В 1967 годе Андрей Сахара предложили набор из трех необходимых условий , что барионы -generating взаимодействия должны удовлетворять производить вещество и антивещество при различных скоростях. Эти условия были вдохновлены недавними открытиями космического фонового излучения и CP-нарушения в системе нейтральных каонов . Три необходимых «условия Сахарова»:

Нарушение барионного числа . ${\ displaystyle B}$
C-симметрия и нарушение CP-симметрии .
Взаимодействия из теплового равновесия .

Нарушение барионного числа - необходимое условие для образования избытка барионов над антибарионами. Но нарушение С-симметрии также необходимо, чтобы взаимодействия, которые производят больше барионов, чем антибарионов, не уравновешивались взаимодействиями, которые производят больше антибарионов, чем барионов. Нарушение CP-симметрии аналогично требуется, потому что в противном случае было бы произведено равное количество левых барионов и правых антибарионов, а также равное количество левых антибарионов и правых барионов. Наконец, взаимодействия должны быть вне теплового равновесия, поскольку в противном случае симметрия CPT обеспечила бы компенсацию между процессами, увеличивающими и уменьшающими барионное число.

В настоящее время нет экспериментальных доказательств взаимодействия частиц, при которых сохранение барионного числа нарушается пертурбативно : это, по-видимому, предполагает, что все наблюдаемые реакции частиц имеют одинаковое барионное число до и после. Математически, коммутатор барионного числа квантового оператора с (пертурбативного) стандартной модели гамильтонианом равен нулю: . Однако известно, что Стандартная модель нарушает сохранение барионного числа только непертурбативно: это глобальная аномалия U (1). Чтобы объяснить нарушение барионов в бариогенезе, такие события (включая распад протона) могут происходить в теориях Великого Объединения (GUT) и суперсимметричных (SUSY) моделях через гипотетические массивные бозоны, такие как X-бозон . ${\ displaystyle [B, H] = BH-HB = 0}$

Второе условие - нарушение CP-симметрии - было обнаружено в 1964 году (прямое CP-нарушение, то есть нарушение CP-симметрии в процессе распада, было обнаружено позже, в 1999 году). Из-за CPT-симметрии нарушение CP-симметрии требует нарушения симметрии обращения времени или T-симметрии .

В сценарии неравновесного распада последнее условие гласит, что скорость реакции, порождающей барионную асимметрию, должна быть меньше скорости расширения Вселенной. В этой ситуации частицы и соответствующие им античастицы не достигают теплового равновесия из-за быстрого расширения, уменьшающего возникновение парной аннигиляции.

Бариогенез в стандартной модели

Стандартная модель может включать в себя бариогенезис, хотя сумма чистых барионов (и лептоны) , таким образом , создается не может быть достаточным для учета настоящей барионной асимметрии. На миллиард кварк-антикварковых пар в ранней Вселенной требуется один избыточный кварк, чтобы обеспечить всю наблюдаемую материю во Вселенной. Этот недостаток еще не получил объяснения ни теоретически, ни каким-либо иным образом.

Бариогенез в стандартной модели требует электрослабого нарушения симметрии быть первого порядка фазового перехода , так как в противном случае сфалероны вытирать любой барионной асимметрии , что произошло до фазового перехода. Помимо этого, оставшееся количество взаимодействий, не сохраняющих барионы, незначительно.

Доменная стенка фазового перехода спонтанно нарушает P-симметрию , позволяя взаимодействиям, нарушающим CP-симметрию, нарушать C-симметрию с обеих сторон. Кварки имеют тенденцию накапливаться на стороне разорванной фазы доменной стенки, в то время как антикварки имеют тенденцию накапливаться на стороне непрерывной фазы. Из-за нарушения СР-симметрии электрослабых взаимодействий, некоторые амплитуды с участием кварков не равны соответствующим амплитудам с участием антикварков, а скорее имеют противофазу (см. Матрицу CKM и Kaon ); поскольку при обращении времени амплитуда становится комплексно сопряженной, CPT-симметрия сохраняется во всем этом процессе.

Хотя некоторые из их амплитуд имеют противоположные фазы, и кварки, и антикварки имеют положительную энергию и, следовательно, приобретают одну и ту же фазу при движении в пространстве-времени. Эта фаза также зависит от их массы, которая идентична, но зависит как от аромата, так и от VEV Хиггса, который изменяется вдоль доменной стенки. Таким образом, определенные суммы амплитуд кварков имеют разные абсолютные значения по сравнению с амплитудами антикварков. В целом кварки и антикварки могут иметь разные вероятности отражения и прохождения через доменную стенку, и оказывается, что передается больше кварков, поступающих из непрерывной фазы, по сравнению с антикварками.

Таким образом, через доменную стенку возникает чистый барионный поток. Из-за переходов сфалеронов, которых много в непрерывной фазе, чистое антибарионное содержание непрерывной фазы стирается, поскольку антибарионы превращаются в лептоны. Однако сфалероны в разорванной фазе встречаются достаточно редко, чтобы не стереть там избыток барионов. Всего происходит чистое создание барионов (а также лептонов).

В этом сценарии непертурбативные электрослабые взаимодействия (т.е. сфалерон) ответственны за B-нарушение, пертурбативный электрослабый лагранжиан отвечает за CP-нарушение, а доменная стенка отвечает за отсутствие теплового равновесия и P- нарушение; вместе с CP-нарушением он также создает C-нарушение на каждой из своих сторон.

Содержание материи во Вселенной

Центральный вопрос бариогенезиса - это то, что вызывает предпочтение материи антивеществу во Вселенной, а также величину этой асимметрии. Важным количественным показателем является параметр асимметрии , определяемый выражением

{\ displaystyle \ eta = {\ frac {n_ {B} -n _ {\ bar {B}}} {n _ {\ gamma}}}}}

где $n B$ и $n B$ относятся к плотности числа барионов и антибарионов соответственно, а $n γ$ - плотность числа фотонов космического фонового излучения .

Согласно модели Большого взрыва, материя отделилась от космического фонового излучения (CBR) при температуре примерно3000 кельвинов , что соответствует средней кинетической энергии3000 К / (10,08 × 10 ³ К / эВ ) =0,3 эВ . После развязки общее количество фотонов CBR остается постоянным. Следовательно, из-за расширения пространства-времени плотность фотонов уменьшается. Плотность фотонов при равновесной температуре $T$ на кубический сантиметр определяется выражением

{\ displaystyle n _ {\ gamma} = {\ frac {1} {\ pi ^ {2}}} {\ left ({\ frac {k_ {B} T} {\ hbar c}} \ right)} ^ { 3} \ int _ {0} ^ {\ infty} {\ frac {x ^ {2}} {e ^ {x} -1}} \ operatorname {d} x = {\ frac {2 \ zeta (3) } {\ pi ^ {2}}} {\ left ({\ frac {k_ {B} T} {\ hbar c}} \ right)} ^ {3} \ приблизительно 20,3 \ left ({\ frac {T} {1 {\ text {K}}}} \ right) ^ {3} {\ text {cm}} ^ {- 3}}

,

с $K B$ в качестве постоянной Больцмана , $ħ$ как постоянная Планка , деленная на 2 $П$ и $С$ , как скорость света в вакууме, и $z$ , (3) как постоянная апери . При текущей температуре фотонов CBR2,725 К , это соответствует плотности фотонов $n γ$ около 411 фотонов CBR на кубический сантиметр.

Следовательно, параметр асимметрии $η$ , как определено выше, не является «лучшим» параметром. Вместо этого предпочтительный параметр асимметрии использует плотность энтропии $s$ ,

{\ displaystyle \ eta _ {s} = {\ frac {n_ {B} -n _ {\ bar {B}}} {s}}}

потому что плотность энтропии Вселенной оставалась достаточно постоянной на протяжении большей части ее эволюции. Плотность энтропии равна

{\ displaystyle s \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac {\ mathrm {entropy}} {\ mathrm {volume}}} = {\ frac {p + \ rho} {T} } = {\ frac {2 \ pi ^ {2}} {45}} g _ {\ text {⁎}} (T) T ^ {3}}

где $p$ и $ρ$ - давление и плотность из тензора плотности энергии $T μν$ , а $g ⁎$ - эффективное число степеней свободы для "безмассовых" частиц при температуре $T$ (если выполняется $mc$ ² ≪ $k B T$ ),

{\ displaystyle g _ {\ text {⁎}} (T) = \ sum _ {\ mathrm {i = bosons}} g_ {i} {\ left ({\ frac {T_ {i}} {T}} \ right )} ^ {3} + {\ frac {7} {8}} \ sum _ {\ mathrm {j = fermions}} g_ {j} {\ left ({\ frac {T_ {j}} {T}} \ right)} ^ {3}}

,

для бозонов и фермионов со степенями свободы $g i$ и $g j$ при температурах $T i$ и $T j$ соответственно. В настоящую эпоху $s$ =7,04 $н γ$ .

Текущие исследования

Связь с темной материей

Возможное объяснение причины бариогенеза - реакция распада B-мезогенеза. Этот феномен предполагает, что в ранней Вселенной такие частицы, как B-мезон, распадаются на видимый барион Стандартной модели, а также на темный антибарион, который невидим для современных методов наблюдения. Процесс начинается с предположения о массивной долгоживущей скалярной частице , существовавшей в ранней Вселенной до нуклеосинтеза Большого взрыва. Точное поведение пока неизвестно, но предполагается, что он распадается на b- кварки и антикварки в условиях вне теплового равновесия, таким образом удовлетворяя одному условию Сахарова. Эти b- кварки образуют B-мезоны, которые немедленно адронизируются в осциллирующие CP-нарушающие состояния, удовлетворяя, таким образом, другому условию Сахарова. Затем эти осциллирующие мезоны распадаются на пару барион-темный антибарион, упомянутую ранее , где родительский B-мезон, темный антибарион, видимый барион и любые дочерние сверхлегкие мезоны, необходимые для удовлетворения других законов сохранения в этом распад частиц. Если этот процесс происходит достаточно быстро, эффект CP-нарушения переносится на сектор темной материи. Однако это противоречит (или, по крайней мере, бросает вызов) последнему условию Сахарова, поскольку ожидаемое предпочтение материи в видимой Вселенной уравновешивается новым предпочтением антивещества в темной материи Вселенной, и полное барионное число сохраняется. ${\ displaystyle \ Phi}$ ${\ displaystyle \ Phi}$ ${\ displaystyle B_ {s} ^ {0} - {\ bar {B}} _ {s} ^ {0}}$ ${\ Displaystyle B \ rightarrow \ psi {\ mathcal {B}} {\ mathcal {M}}}$ ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle \ psi}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {B}}}$ ${\ Displaystyle {\ mathcal {M}}}$

В-мезогенез приводит к отсутствию энергии между начальным и конечным состояниями процесса распада, что, если его зарегистрировать, может предоставить экспериментальные доказательства существования темной материи. Лаборатории элементарных частиц, оснащенные фабриками B-мезонов, такими как Belle и BaBar , чрезвычайно чувствительны к распадам B-мезонов с отсутствием энергии и в настоящее время имеют возможность обнаружить канал. LHC также может искать для этого взаимодействия , поскольку он производит несколько порядков больше B-мезоны , чем Belle или BaBar, но есть еще проблемы с уменьшенным контролем над B-мезоны начальной энергией в ускорителе. ${\ Displaystyle B \ rightarrow \ psi {\ mathcal {B}} {\ mathcal {M}}}$

Смотрите также

использованная литература

Статьи

Учебники

Э. У. Колб и М. С. Тернер (1994). Ранняя Вселенная . Издательство "Персей" . ISBN 978-0-201-62674-2.

Препринты

А.Д. Долгов (1997). «Бариогенез, 30 лет спустя». Обзоры по физике высоких энергий . 13 (1–3): 83–117. arXiv : hep-ph / 9707419 . Bibcode : 1998SHEP ... 13 ... 83D . DOI : 10.1080 / 01422419808240874 . S2CID 119499400 .
А. Риотто (1998). «Теории бариогенеза». Физика высоких энергий и космология : 326. arXiv : hep-ph / 9807454 . Bibcode : 1999hepc.conf..326R .
М. Тродден (1999). «Электрослабый бариогенез». Обзоры современной физики . 71 (5): 1463–1500. arXiv : hep-ph / 9803479 . Bibcode : 1999RvMP ... 71.1463T . DOI : 10.1103 / RevModPhys.71.1463 . S2CID 17275359 .

Languages

In other projects