Барионная асимметрия - Baryon asymmetry

В физической космологии , то барионной асимметрии проблема, известная также как асимметрия материя проблемы или асимметрии материи-антиматерии проблемы, является наблюдаемый дисбаланс в барионной материи (типа материи опыт в повседневной жизни) и antibaryonic материи в наблюдаемой Вселенной . Ни стандартная модель из физики элементарных частиц , ни теория относительности не дает известное объяснению, почему это должно быть так, и это естественное предположение , что Вселенная является нейтральной со всеми консервативными зарядами . Большие Взрывы должны были привести равное количество материи и антиматерии . Поскольку это, похоже, не так, вполне вероятно, что некоторые физические законы должны были действовать по-другому или не существовать для материи и антивещества . Существует несколько конкурирующих гипотез, объясняющих дисбаланс вещества и антивещества, который привел к бариогенезу . Однако пока нет единой теории, объясняющей это явление. Как отмечается в исследовательской работе 2012 года, «происхождение материи остается одной из великих загадок физики».

Сахаровские условия

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

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 также 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 свидетельств 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 .

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 стандартной модели , СР - нарушение появляется в виде сложной фазы в матрице смешивания кварков в слабом взаимодействии . В матрице смешивания нейтрино также может быть ненулевая CP-нарушающая фаза , но в настоящее время это не измеряется. Первым в серии основных физических принципов, которые были нарушены, стал эксперимент Чиен-Шиунг Ву . Это привело к проверке нарушения CP-симметрии в эксперименте Фитча – Кронина 1964 года с нейтральными каонами , в результате которого была присуждена Нобелевская премия по физике 1980 года (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 T-симметрии . 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 необходимы источники , выходящие за рамки Стандартной модели .

Возможный новый источник нарушения СР был обнаружен на Большом адронном коллайдере (БАК) по LHCb сотрудничества в течение первых трех лет работы LHC (начиная марта 2010 года). В эксперименте анализировались распады двух частиц, нижней лямбдыb 0 ) и ее античастицы, и сравнивались распределения продуктов распада. Данные показали асимметрию величин, чувствительных к СР-нарушению, до 20%, что означает нарушение СР-симметрии. Этот анализ необходимо будет подтвердить дополнительными данными из последующих запусков LHC.

Взаимодействия из теплового равновесия

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.

Прочие объяснения

Области вселенной, где преобладает антивещество

Другое возможное объяснение очевидной барионной асимметрии состоит в том, что материя и антивещество по существу разделены на разные, очень удаленные области Вселенной . Первоначально считалось, что образование галактик из антивещества объясняет барионную асимметрию, поскольку на расстоянии атомы антивещества неотличимы от атомов вещества; оба производят свет (фотоны) одинаково. Однако вдоль границы между областями материи и антивещества можно будет обнаружить аннигиляцию (и последующее производство гамма-излучения ) в зависимости от расстояния до нее 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. Предполагая, что это типичная плотность около границы, можно рассчитать светимость гамма-излучения в пограничной зоне взаимодействия. Таких зон не было обнаружено, но 30 лет исследований установили границы того, насколько далеко они могут быть. На основе такого анализа в настоящее время считается маловероятным, что в какой-либо области наблюдаемой Вселенной преобладает антивещество.

Одна попытка объяснить отсутствие наблюдаемых границ раздела между областями, в которых преобладает материя и антивещество, состоит в том, что они разделены слоем Лейденфроста из очень горячего вещества, созданного энергией, выделяющейся при аннигиляции. Это похоже на то, как вода может быть отделена от горячей плиты слоем испаренного пара, задерживая испарение большего количества воды.

Электрический дипольный момент

Наличие электрического дипольного момента (ЭДМ) в любой фундаментальной частице нарушило бы симметрию как четности (P), так и симметрии времени (T). Таким образом, EDM позволил бы материи и антивеществу распадаться с разной скоростью, что привело бы к возможной асимметрии материя-антивещество, 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. Последний предел EDM, опубликованный в 2014 году, был установлен ACME Collaboration, который измерял EDM электрона с помощью импульсного пучка молекул монооксида тория (ThO).

Параметр барионной асимметрии

Таким образом, перед физическими теориями стоит задача объяснить, как обеспечить преобладание материи над антивеществом, а также величину этой асимметрии. Важным количественным показателем является параметр асимметрии ,

Эта величина связывает общую разницу числовой плотности между барионами и антибарионами ( n B и n B , соответственно) и плотность фотонов космического фонового излучения n γ .

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

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 «хорошим» параметром. Вместо этого предпочтительный параметр асимметрии использует плотность энтропии s ,

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

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

,

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

Смотрите также

использованная литература