Бариогенез - Baryogenesis

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Эпоха лептона Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение· Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок
Составные части· Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темная материя Темное излучение Темная жидкость Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновая анизотропия Уилкинсона Зонд (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Guth Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволн фоновое излучение История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теория большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал

В физическая космология, бариогенез - это физический процесс, который предположительно имел место во время ранняя вселенная производить барионная асимметрия, т.е. дисбаланс иметь значение (барионы ) и антивещество (антибарионы) в наблюдаемых вселенная.

Одна из нерешенных проблем современной физики - преобладание иметь значение над антивещество в вселенная. Кажется, что Вселенная в целом имеет отличную от нуля положительную плотность барионного числа, то есть материя существует. Поскольку в космология что частицы, которые мы видим, были созданы с использованием той же физики, которую мы измеряем сегодня, обычно ожидается, что общее барионное число должно быть равно нулю, поскольку материя и антивещество должны были быть созданы в равных количествах. Это привело к ряду предложенных механизмов для нарушение симметрии которые способствуют созданию нормальной материи (в отличие от антивещества) при определенных условиях. Этот дисбаланс был бы исключительно малым, порядка 1 в каждом 10000000000 (10¹⁰) частиц через малую долю секунды после Большого взрыва, но после того, как большая часть вещества и антивещества аннигилировала, то, что осталось, было всей барионной материей в текущей Вселенной, а также гораздо большим количеством бозоны. Об экспериментах, опубликованных в 2010 г. Фермилаб, однако, похоже, показывают, что этот дисбаланс намного больше, чем предполагалось ранее. В эксперименте, включающем серию столкновений частиц, количество сгенерированного вещества было примерно на 1% больше, чем количество сгенерированного антивещества. Причина такого несоответствия пока неизвестна.^[1]

Большинство теорий великого единства явно нарушают барионное число симметрии, которая могла бы объяснить это несоответствие, обычно вызывая реакции, опосредованные очень массивными X-бозоны (
Икс
) или массивный Бозоны Хиггса (
ЧАС⁰
). Скорость, с которой происходят эти события, во многом определяется массой промежуточного звена.
Икс
или же
ЧАС⁰
частиц, поэтому, если предположить, что эти реакции ответственны за большую часть наблюдаемого сегодня барионного числа, можно вычислить максимальную массу, выше которой скорость будет слишком медленной, чтобы объяснить присутствие вещества сегодня. Эти оценки предсказывают, что большой объем материала иногда будет демонстрировать спонтанное распад протона, чего не наблюдалось. Поэтому дисбаланс между материей и антивеществом остается загадкой.

Теории бариогенеза основаны на различных описаниях взаимодействия между элементарными частицами. Две основные теории: электрослабый бариогенез (стандартная модель ), что произошло бы во время электрослабая эпоха, а GUT бариогенез, который произойдет во время или вскоре после эпоха великого объединения. Квантовая теория поля и статистическая физика используются для описания таких возможных механизмов.

За бариогенезом следует изначальный нуклеосинтез, когда атомные ядра начал формироваться.

Нерешенная проблема в физике: Почему в наблюдаемой Вселенной больше материи, чем антивещества? (больше нерешенных задач по физике)

Фон

В Уравнение Дирака,^[2] сформулировано Поль Дирак около 1928 г. в рамках разработки релятивистская квантовая механика, предсказывает существование античастицы вместе с ожидаемыми решениями для соответствующих частиц. С тех пор эксперименты подтвердили, что каждому известному виду частиц соответствует соответствующая античастица. Под CPT теорема, частица и ее античастица имеют одинаковую массу и время жизни, а также противоположный заряд. Учитывая эту симметрию, вызывает недоумение тот факт, что во Вселенной нет равных количеств материи и антивещество. Действительно, нет никаких 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 (всего барионное число Вселенная отлична от нуля), или Вселенная изначально была совершенно симметричной, но каким-то образом набор явлений внес свой вклад в небольшой дисбаланс в пользу материи с течением времени. Вторая точка зрения предпочтительна, хотя нет четких экспериментальных данных, указывающих на то, что какая-либо из них является правильной.

Формирование материи в ранней Вселенной

Большинство обычных иметь значение в вселенная находится в атомные ядра, которые сделаны из нейтроны и протоны. Эти нейтроны и протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Для любого вопроса частица есть соответствующий античастица с той же массой и противоположным зарядом. Предполагается, что во время первые несколько мгновений вселенной, он состоял из почти равных количеств вещества и антивещества и, таким образом, содержал примерно равное количество кварков и антикварков.^[3] Когда Вселенная расширилась и остыла до критическая температура примерно 2×10¹² K,^{[нужна цитата ]} кварки объединились в нормальную материю и антивещество. Антивещество уничтожен с материей до маленького начального асимметрия примерно одной части из пяти миллиардов, оставляя материю вокруг нас.^{[нужна цитата ]} Свободные и отдельные отдельные кварки и антикварки никогда не наблюдались в экспериментах - кварки и антикварки всегда находятся группами по три (барионы ), либо связанных парами кварк – антикварк (мезоны ).

Бариогенез GUT в условиях Сахарова

В 1967 г. Андрей Сахаров предложил^[4] набор трех необходимых условий, которые барион -производящее взаимодействие должно удовлетворять, чтобы производить материю и антивещество с разной скоростью. Эти условия были вдохновлены недавними открытиями космический фон^[5] и CP-нарушение в нейтральном Каон система.^[6] Три необходимых «условия Сахарова»:

• Барионное число ${ displaystyle B}$ нарушение.
• C-симметрия и CP-симметрия нарушение.
• Взаимодействия вне тепловое равновесие.

Очевидно, что нарушение барионного числа является необходимым условием для образования избытка барионов над антибарионами. Но нарушение С-симметрии также необходимо для того, чтобы взаимодействия, которые производят больше барионов, чем антибарионов, не уравновешивались взаимодействиями, которые производят больше антибарионов, чем барионов. Аналогичным образом требуется нарушение CP-симметрии, поскольку в противном случае равное количество левша барионы и правша будут произведены антибарионы, а также равное количество левых антибарионов и правых барионов. Наконец, взаимодействия должны быть вне теплового равновесия, иначе Симметрия CPT обеспечит компенсацию между процессами увеличения и уменьшения барионного числа.^[7]

В настоящее время нет экспериментальных свидетельств взаимодействия частиц, при которых нарушается сохранение барионного числа. пертурбативно: это, по-видимому, предполагает, что все наблюдаемые реакции частиц имеют одинаковое барионное число до и после. Математически коммутатор барионного числа квантовый оператор с (пертурбативным) Стандартная модель гамильтониан равно нулю: ${ displaystyle [B, H] = BH-HB = 0}$. 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 Теории Великого Объединения (GUT) и суперсимметричный (SUSY) модели с помощью гипотетических массивных бозонов, таких как X-бозон.

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 Т-симметрия.

В сценарии неравновесного распада^[8] 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

Электрослабый бариогенез

В Стандартная модель может включать бариогенез, хотя количество чистых барионов (и лептонов), созданных таким образом, может быть недостаточным для объяснения существующей барионной асимметрии. Этот вопрос еще не решен окончательно.

Бариогенез в рамках Стандартной модели требует электрослабый нарушение симметрии быть первый заказ фаза перехода, так как иначе сфалероны стереть любую барионную асимметрию, которая произошла до фазового перехода, в то время как позже количество взаимодействий, не сохраняющих барионы, будет незначительным.^[9]

В фаза перехода доменная стена ломает P-симметрия спонтанно, с учетом CP-симметрия нарушение взаимодействий для создания C-асимметрия с обеих сторон: кварки имеют тенденцию накапливаться на стороне разорванной фазы доменной стенки, тогда как антикварки имеют тенденцию накапливаться на стороне неразрывной фазы. Происходит это следующим образом:^[7]

Из-за CP-симметрия нарушение электрослабый взаимодействия, некоторые амплитуды с участием кварков не равны соответствующим амплитудам с участием антикварков, а имеют противоположную фазу (см. Матрица СКМ и Каон ); поскольку разворот времени принимает амплитуду к своему комплексно сопряженному, CPT-симметрия сохраняется.

Хотя некоторые из их амплитуд имеют противоположные фазы, как кварки, так 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 одинакова, но зависит как от вкус и на Хиггс VEV которая меняется 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, выходящих из непрерывной фазы, по сравнению с антикварками.

Таким образом, через доменную стенку возникает чистый барионный поток. Из-за сфалерон переходов, которые многочисленны 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 существует чистое создание барионов (а также лептонов).

В этом сценарии непертурбативные электрослабые взаимодействия (т.е. сфалерон ) отвечают за B-нарушение, пертурбативный электрослабый лагранжиан отвечает за CP-нарушение, а доменная стенка ответственна 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

Параметр барионной асимметрии

Тогда вызов физическим теориям состоит в том, чтобы объяснить как чтобы произвести это предпочтение материи антивеществу, а также величина этой асимметрии. Важным количественным показателем является параметр асимметрии, наивно данный

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

Эта величина связывает общую разницу в плотности между барионами и антибарионами (п_B и п_Bсоответственно) и плотности числа космический фон фотоны п_γ.

Согласно модели Большого взрыва, материя отделена от космический фон (CBR) при температуре примерно 3000 кельвин, что соответствует средней кинетической энергии 3000 К / (10.08×10³ К / эВ) = 0,3 эВ. После развязки общий количество фотонов CBR остается постоянным. Следовательно, из-за расширения пространства-времени плотность фотонов уменьшается. Плотность фотонов при равновесной температуре Т 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 как Постоянная Больцмана, час как Постоянная Планка делится на 2π и c как скорость света в вакууме, и ζ(3) как Постоянная апери. При текущей температуре фотонов CBR 2.725 К, это соответствует плотности фотонов п_γ около 411 фотонов CBR на кубический сантиметр.

Следовательно, параметр асимметрии η, как определено выше, является нет «лучший» параметр. Вместо этого предпочтительный параметр асимметрии использует энтропия плотность 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

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

с п и ρ как давление и плотность из тензора плотности энергии Т_μν, и грамм_⁎ как эффективное число степеней свободы для "безмассовых" частиц при температуре Т (поскольку MC² ≪ k_BТ держит),

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

для бозонов и фермионов с грамм_я и грамм_j степени свободы при температурах Т_я и Т_j соответственно. В настоящую эпоху, s = 7.04 п_γ.

Смотрите также

• Механизм Аффлека – Дайна
• Антропный принцип
• Большой взрыв
• Хронология Вселенной
• Нарушение CP
• Лептогенез (физика)
• Лептон

Рекомендации

Статьи

Учебники

• Э. В. 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:1998ШЭП ... 13 ... 83Д. Дои: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:1999РвМП ... 71.1463Т. Дои:10.1103 / RevModPhys.71.1463. S2CID  17275359.