Барионная асимметрия - Baryon asymmetry

В физическая космология, то барионная асимметрия проблема, также известная как асимметрия материи проблема или асимметрия вещества и антивещества проблема,^[1]^[2] наблюдается дисбаланс в барионная материя (тип материи в повседневной жизни) и антибарионное вещество в наблюдаемая вселенная. Ни стандартная модель из физика элементарных частиц, ни теория общая теория относительности дает известное объяснение того, почему это должно быть так, и это естественное предположение, что Вселенная нейтральна со всеми сохраненными обвинения.^[3] В Большой взрыв должен был произвести равное количество иметь значение и антивещество. Поскольку это, похоже, не так, вполне вероятно, что некоторые физические законы должны были действовать по-другому или не существовать для иметь значение и антивещество.Существует несколько конкурирующих гипотез, объясняющих дисбаланс вещества и антивещества, который привел к бариогенез. Однако пока нет единой теории, объясняющей это явление. Как отмечается в исследовательской работе 2012 года, «происхождение материи остается одной из великих загадок физики».^[4]

Сахаровские условия

В 1967 г. Андрей Сахаров предложил^[5] 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^[6] и Нарушение CP в нейтральном Каон система.^[7] Три необходимых «условия Сахарова»:

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

Нарушение барионного числа

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.^[8]

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.

Нарушение CP-симметрии

Второе условие возникновения барионной асимметрии - нарушение симметрии зарядовой четности - состоит в том, что процесс может происходить с другой скоростью, чем его аналог из антивещества. в Стандартная модель, CP-нарушение проявляется как сложная фаза в матрица смешения кварков из слабое взаимодействие. Также может быть ненулевая CP-нарушающая фаза в матрица смешивания нейтрино, но в настоящее время это не измеряется. CP-нарушение впервые было обнаружено в 1964 г. Эксперимент Фитч-Кронина с нейтральным каоны, в результате чего в 1980 г. Нобелевская премия по физике (прямое нарушение CP-симметрии в процессе распада было обнаружено позже, в 1999 г.). Из-за CPT-симметрии нарушение CP-симметрии требует нарушения симметрии обращения времени, или Т-симметрия. Несмотря на учет CP-нарушения в Стандартной модели, этого недостаточно для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной с учетом ограничений на нарушение барионного числа, а это означает, что сверхстандартная модель нужны источники.

Возможный новый источник CP-нарушения был обнаружен на Большой адронный коллайдер (LHC) посредством LHCb сотрудничество в течение первых трех лет работы LHC (начало марта 2010 г.). В эксперименте анализировались распады двух частиц: нижняя лямбда (Λ_б⁰) и его античастица, и сравнили распределения продуктов распада. Данные показали асимметрию до 20% величин, чувствительных к СР-нарушению, что означает нарушение СР-симметрии. Этот анализ необходимо будет подтвердить дополнительными данными из последующих запусков LHC.^[9]

Взаимодействия из теплового равновесия

В сценарии неравновесного распада^[10] 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.

Другие объяснения

Области вселенной, где преобладает антивещество

Другое возможное объяснение кажущейся барионной асимметрии состоит в том, что вещество и антивещество по существу разделены на разные, очень удаленные области вселенная. Первоначально считалось, что образование галактик из антивещества объясняет барионную асимметрию, поскольку на расстоянии атомы антивещества неотличимы от атомов вещества; оба излучают свет (фотоны) одинаково. Однако вдоль границы между областями материи и антивещества аннигиляция (и последующее образование гамма-излучение ) будет обнаруживаться в зависимости от расстояния до него и плотности вещества и антивещества. Такие границы, если они существуют, скорее всего, лежат в глубоком межгалактическом пространстве. Установлено, что плотность вещества в межгалактическом пространстве составляет около одного атома на кубический метр.^[11]^[12] Предполагая, что это типичная плотность около границы, можно рассчитать светимость гамма-излучения в пограничной зоне взаимодействия. Таких зон не обнаружено, но 30 лет исследований позволили определить, насколько далеко они могут быть. На основании такого анализа в настоящее время считается маловероятным, что в какой-либо области наблюдаемой Вселенной преобладает антивещество.^[4]

Одна попытка объяснить отсутствие наблюдаемых границ раздела между областями с преобладанием вещества и антивещества состоит в том, что они разделены Лейденфрост слой очень горячего вещества, созданный энергией, выделяющейся при аннигиляции. Это аналогично тому, как вода может быть отделена от горячей плиты слоем испаренного пара, задерживая испарение большего количества воды.^{[нужна цитата ]}

Электрический дипольный момент

Наличие электрический дипольный момент (EDM) в любой фундаментальной частице нарушит симметрию как по четности (P), так и по времени (T). Таким образом, EDM позволил бы материи и антивеществу распадаться с разной скоростью, что привело бы к возможной асимметрии вещества-антивещества, наблюдаемой сегодня. В настоящее время проводится множество экспериментов по измерению ЭДМ различных физических частиц. Все измерения в настоящее время согласуются с отсутствием дипольного момента. Однако результаты действительно накладывают строгие ограничения на количество нарушений симметрии, которые может допускать физическая модель. Самый последний предел EDM, опубликованный в 2014 году, был пределом сотрудничества ACME, который измерял EDM электрона с помощью импульсного луча окись тория (ThO) молекулы.^[13]

Зеркальная анти-вселенная

Большой взрыв породил пару Вселенная-антивселенная, наша Вселенная течет вперед во времени, а наша зеркальная копия течет назад.

Состояние вселенной, как оно есть, не нарушает Симметрия CPT, поскольку Большой взрыв можно рассматривать как двустороннее событие, как классически, так и квантово-механически, состоящее из пары вселенная-антивселенная. Это означает, что эта Вселенная является зарядом (C), четностью (P) и временным (T) образом антивселенной. Эта пара возникла из эпох Большого взрыва, а не непосредственно в горячую эпоху с преобладанием радиации. Антивселенная потечет назад во времени от Большого взрыва, становясь все больше и больше, и в нем также будет преобладать антивещество. Его пространственные свойства инвертированы по сравнению с таковыми в нашей Вселенной, ситуация аналогична созданию электрон -позитрон пары в вакуум. Эта модель, разработанная физиками из Институт теоретической физики Периметр в Канада, предполагает, что колебания температуры в космический микроволновый фон (CMB) обусловлены квантово-механической природой пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва.^[14] Это означает, что точка в будущем нашей Вселенной и точка в далеком прошлом антивселенной будут обеспечивать фиксированные классические точки, в то время как все возможные квантовые перестановки будут существовать между ними. Квантовая неопределенность заставляет Вселенную и антивселенную не быть точным зеркальным отображением друг друга.^[15]

Эта модель не показала, может ли она воспроизвести определенные наблюдения, касающиеся сценария инфляции, такие как объяснение однородности космоса в больших масштабах. Однако он дает естественное и прямое объяснение темная материя. Такая пара Вселенная-антивселенная произвела бы большое количество сверхтяжелых нейтрино, также известный как стерильные нейтрино. Эти нейтрино также могут быть источником недавно наблюдаемых всплесков высоких энергий. космические лучи.^[16]

Параметр барионной асимметрии

Тогда вызов физическим теориям состоит в том, чтобы объяснить как чтобы произвести преобладание вещества над антивеществом, а также величина этой асимметрии. Важным количественным показателем является параметр асимметрии,

{ 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}} , dx = { 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 2 $π$ 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 n_γ около 411 фотонов CBR на кубический сантиметр.

Следовательно, параметр асимметрии η, как определено выше, является нет «хороший» показатель. 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 _ {*} (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 (поскольку MC² ≪ k_BТ держит) при температуре Т,

{ displaystyle g _ {*} (T) = sum _ {i = mathrm {bosons}} g_ {i} left ({ frac {T_ {i}} {T}} right) ^ {3} + { frac {7} {8}} sum _ {j = mathrm {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 настоящее время, s = 7.04п_γ.