В физической космологии лептогенез — это общий термин для гипотетических физических процессов, которые вызвали асимметрию между лептонами и антилептонами в очень ранней Вселенной , что привело к современному доминированию лептонов над антилептонами. В принятой в настоящее время Стандартной модели лептонное число почти сохраняется при температурах ниже шкалы ТэВ , но туннельные процессы могут изменить это число; при более высокой температуре он может измениться за счет взаимодействия со сфалеронами , частицеподобными объектами. [1] В обоих случаях рассматриваемый процесс связан со слабым ядерным взаимодействием и является примером киральной аномалии .
Такие процессы гипотетически могли привести к созданию лептонов в ранней Вселенной. В этих процессах барионное число также не сохраняется, и, следовательно, барионы должны были появиться вместе с лептонами. Предполагается, что такое несохранение барионного числа действительно произошло в ранней Вселенной и известно как бариогенез . Однако в некоторых теоретических моделях предполагается, что лептогенез также происходил до бариогенеза; таким образом, термин «лептогенез» часто используется для обозначения несохранения лептонов без соответствующего несохранения барионов. В Стандартной модели разница между лептонным и барионным числом точно сохраняется, так что лептогенез без бариогенеза невозможен. Таким образом, такой лептогенез подразумевает расширение Стандартной модели. [1]
Лептонная и барионная асимметрия повлияла на гораздо более понятный нуклеосинтез Большого взрыва в более поздние времена, во время которого начали формироваться легкие атомные ядра . Для успешного синтеза легких элементов необходимо, чтобы в возрасте нескольких минут существования Вселенной существовал дисбаланс в количестве барионов и антибарионов до одной миллиардной. [2] Асимметрия числа лептонов и антилептонов не является обязательной для нуклеосинтеза Большого взрыва. Однако сохранение заряда предполагает, что любая асимметрия в заряженных лептонах и антилептонах ( электронах , мюонах и тау-частицах ) должна быть того же порядка, что и барионная асимметрия. [3] Наблюдения за содержанием первичного гелия-4 устанавливают верхний предел любой лептонной асимметрии, находящейся в нейтринном секторе, который не является очень строгим. [2]
Теории лептогенеза используют разделы физики , такие как квантовая теория поля и статистическая физика , для описания таких возможных механизмов. Бариогенез, возникновение барион-антибарионной асимметрии и лептогенез могут быть связаны процессами, преобразующими барионное и лептонное числа друг в друга. (Непертурбативная) квантовая аномалия Адлера-Белла-Джекива может привести к образованию сфалеронов , которые могут превращать лептоны в барионы и наоборот . [4] Таким образом, Стандартная модель в принципе способна обеспечить механизм создания барионов и лептонов.
Простая модификация Стандартной модели, которая вместо этого способна реализовать программу Сахарова, — это модификация, предложенная М. Фукугитой и Т. Янагидой . [5] Стандартная модель расширена за счет добавления правых нейтрино , что позволяет реализовать механизм качелей и придает нейтрино массу. В то же время расширенная модель способна спонтанно генерировать лептоны от распадов правых нейтрино. Наконец, сфалероны способны конвертировать спонтанно генерируемую лептонную асимметрию в наблюдаемую барионную асимметрию. Из-за своей популярности весь этот процесс иногда называют просто лептогенезом. [6]