Барионная асимметрия

Нерешенная задача по физике :

Что является источником дисбаланса материи и антиматерии? Это относится к малому ненулевому значению барионов по сравнению с фотонами (≈ 5 ⁻¹⁰ ) в нынешней Вселенной.

(еще нерешенные задачи по физике)

В физической космологии проблема барионной асимметрии , также известная как проблема асимметрии материи или проблема асимметрии материи-антиматерии , ^[1]^[2] представляет собой наблюдаемый дисбаланс в барионной материи (тип материи, встречающийся в повседневной жизни) и антибарионной материи. в наблюдаемой Вселенной . Ни стандартная модель физики элементарных частиц , ни общая теория относительности не дают известного объяснения того, почему это должно быть так, и естественным является предположение, что Вселенная нейтральна со всеми сохраняющимися зарядами . ^[3] Большой взрыв должен был произвести равное количество материи и антиматерии . Поскольку, похоже, это не так, вполне вероятно, что некоторые физические законы действовали по-другому или не существовали для материи и/или антиматерии. Существует несколько конкурирующих гипотез, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии, который привел к бариогенезу . Однако до сих пор не существует единой теории, объясняющей это явление, которое было описано как «одна из величайших загадок физики ». ^[4]

Условия Сахарова

В 1967 году Андрей Сахаров предложил ^[5] набор из трех необходимых условий, которым должно удовлетворять взаимодействие, генерирующее барионы , чтобы производить материю и антиматерию с разной скоростью. Эти условия были вызваны недавними открытиями космического фонового излучения ^[6] и CP-нарушения в системе нейтральных каонов . ^[7] Три необходимых «условия Сахарова» таковы:

Нарушение барионного числа . $B$
Нарушение C-симметрии и CP-симметрии .
Взаимодействия вне теплового равновесия .

Нарушение барионного числа

Нарушение барионного числа является необходимым условием образования избытка барионов над антибарионами. Но нарушение C-симметрии также необходимо для того, чтобы взаимодействия, которые производят больше барионов, чем антибарионов, не были уравновешены взаимодействиями, которые производят больше антибарионов, чем барионов. Нарушение CP-симметрии также необходимо, 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 находиться вне теплового равновесия, поскольку в противном случае CPT-симметрия обеспечивала бы компенсацию между процессами увеличения и уменьшения барионного числа. ^[8]

В настоящее время нет экспериментальных доказательств взаимодействий частиц, при которых сохранение барионного числа пертурбативно нарушается : это, по-видимому, предполагает, что все наблюдаемые реакции частиц имеют одинаковое барионное число до и после. Математически коммутатор квантового оператора барионного числа с (пертурбативным) гамильтонианом Стандартной модели равен нулю: . Однако известно, что Стандартная модель нарушает сохранение барионного числа только непертурбативно: 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 . $[B,H]=BH-HB=0$

Нарушение CP-симметрии

Второе условие возникновения барионной асимметрии — нарушения симметрии зарядовой четности — заключается в том, что процесс может происходить с другой скоростью, чем его аналог из антивещества. В Стандартной модели CP-нарушение проявляется как сложная фаза в матрице смешивания кварков слабого взаимодействия . В матрице смешивания нейтрино также может существовать ненулевая CP-нарушающая фаза , но это в настоящее время не измерено. Первым из серии основных принципов физики, которые были нарушены, была четность в эксперименте Чиен-Шиунг Ву . Это привело к тому, что CP-нарушение было подтверждено в эксперименте Фитча-Кронина 1964 года с нейтральными каонами , что привело к присуждению Нобелевской премии по физике 1980 года (прямое CP-нарушение, то есть нарушение CP-симметрии в процессе распада, было обнаружено позже, в 1999 году). . Из-за симметрии CPT нарушение симметрии CP требует нарушения симметрии инверсии времени или T-симметрии . Несмотря на допуск CP-нарушения в Стандартной модели, этого недостаточно для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной (БАУ), учитывая ограничения на нарушение барионного числа, а это означает, что необходимы источники за пределами Стандартной модели .

Возможный новый источник CP-нарушения был обнаружен на Большом адронном коллайдере (LHC) коллаборацией LHCb в течение первых трех лет работы LHC (начиная с марта 2010 г.). В эксперименте анализировались распады двух частиц, нижней лямбды (Λ _b⁰ ) и ее античастицы, и сравнивались распределения продуктов распада. Данные показали асимметрию до 20% величин, чувствительных к CP-нарушению, что подразумевает нарушение CP-симметрии. Этот анализ должен быть подтвержден дополнительными данными последующих запусков БАКа. ^[9]

Взаимодействия вне 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 вероятность парной аннигиляции.

Другие объяснения

Области Вселенной, где доминирует антивещество

Другое возможное объяснение кажущейся барионной асимметрии состоит в том, что материя и антиматерия 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 материи; оба производят свет (фотоны) одинаковым образом. Однако вдоль границы между областями материи и антиматерии можно было бы обнаружить аннигиляцию (и последующее образование гамма-излучения ), в зависимости от расстояния до нее и плотности материи и антиматерии. Такие границы, если они существуют, скорее всего, пролегают в глубоком межгалактическом пространстве. Плотность материи в межгалактическом пространстве достаточно точно установлена и составляет около одного атома на кубический метр. ^[11]^[12] Предполагая, что это типичная плотность вблизи границы, можно рассчитать гамма-светимость граничной зоны взаимодействия. Никаких таких зон обнаружено не было, но 30 лет исследований установили границы того, насколько далеко они могут находиться. На основе такого анализа теперь считается маловероятным, что в какой-либо области наблюдаемой Вселенной доминирует антиматерия. ^[4]

Электрический дипольный момент

Наличие электрического дипольного момента (ЭДМ) в любой фундаментальной частице нарушило бы как симметрию четности (P), так и временную (T). Таким образом, EDM позволит материи и антивеществу распадаться с разной скоростью, что приведет к возможной асимметрии материи и 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 накладывают строгие ограничения на степень нарушения симметрии, которую может допустить физическая модель. Последний лимит eEDM был опубликован в 2023 году; используя электроны, удерживаемые внутри молекулярных ионов и подвергающиеся огромному внутримолекулярному электрическому полю, когерентно развивающиеся в течение до 3 секунд. ^[13]

Зеркало антивселенной

Состояние Вселенной как таковое не нарушает симметрию CPT , поскольку Большой взрыв можно рассматривать как двустороннее событие, как классически, так и квантовомеханически, состоящее из пары Вселенная-Антивселенная. Это означает, что эта вселенная является зарядовым (С), четным (Р) и временным (Т) образом антивселенной. Эта пара возникла из эпохи Большого взрыва, а не непосредственно в горячую эпоху, в которой преобладала радиация. Антивселенная вернётся во времени после Большого взрыва, становясь при этом больше, и в ней также будет доминировать антиматерия. Его пространственные свойства инвертированы по сравнению с таковыми в нашей Вселенной, ситуация аналогична созданию пар электрон - позитрон в вакууме . Эта модель, разработанная физиками из Института теоретической физики «Периметр» в Канаде , предполагает, что температурные колебания космического микроволнового фона (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 между ними будут существовать все возможные квантовые перестановки. ^{[ нужна цитата ]} Квантовая неопределенность приводит к тому, что Вселенная и антивселенная не являются точными зеркальными отражениями друг друга. ^[15]

Эта модель не показала, может ли она воспроизвести определенные наблюдения относительно сценария инфляции, например, объяснить однородность космоса в больших масштабах. Однако оно дает естественное и простое объяснение темной материи . Такая пара Вселенная-антивселенная будет производить большое количество сверхтяжелых нейтрино , также известных как стерильные нейтрино . Эти нейтрино также могут быть источником недавно наблюдавшихся всплесков космических лучей высокой энергии . ^[16]

Параметр барионной асимметрии

Тогда задача физических теорий состоит в том, чтобы объяснить , как добиться преобладания материи над антиматерией, а также величину этой асимметрии. Важным квантором является параметр асимметрии ,

\eta = {\frac {n_{B}-n_{\bar {B}}}{n_{\gamma }}}.

Эта величина связывает общую разницу в плотности числа барионов и антибарионов ( 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

n_{\gamma }={\frac {1}{\pi ^{2}}}\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)^{3} \times \int _{0}^{\infty }{\frac {x^{2}}{e^{x}-1}}\,dx={\frac {1}{\pi ^{2} }}\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)^{3}\times 2\,\zeta (3)\approx 20,3\left({\frac {T} {1{\text{K}}}}\right)^{3}{\text{cm}}^{-3},

где k _B — постоянная Больцмана , ħ — постоянная Планка , деленная на 2 $π$ , c — скорость света в вакууме, а ζ (3) — 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 он определен выше, не является «хорошим» параметром. Вместо этого предпочтительный параметр асимметрии использует плотность энтропии s ,

\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

s\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\mathrm {entropy} }{\mathrm {volume} }}={\frac {p+\rho }{T}}={\frac {2\pi ^{2}}{45}}g_{*}(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 (поскольку выполняется mc ² ≪ k _BT ) при температуре T ,

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 со степенями свободы g _i и g _j при температурах Ti _и T _j соответственно. В настоящее время s = 7,04 н _γ .