Барионная асимметрия

Дисбаланс материи и антиматерии в наблюдаемой Вселенной

Нерешенная задача по физике :

Что является источником дисбаланса материи и антиматерии? Это относится к малому ненулевому значению барионов над фотонами (≈ 5 ⁻¹⁰ ) в текущей Вселенной

(еще нерешенные проблемы по физике)

В физической космологии проблема барионной асимметрии , также известная как проблема асимметрии материи или проблема асимметрии материя-антиматерия , ^{[1] [2]} является наблюдаемым дисбалансом барионной материи (тип материи, наблюдаемый 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 предположением является то, что Вселенная нейтральна со всеми сохраняющимися зарядами . ^[3] Большой взрыв должен был произвести равное количество материи и антиматерии . Поскольку, по-видимому, это не так, вероятно, некоторые физические законы должны были действовать по-другому или не существовать для материи и/или антиматерии. Существует несколько конкурирующих гипотез, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии, который привел к бариогенезу . Однако пока нет единой теории, объясняющей это явление, которое было описано как «одна из величайших загадок в физике ». ^[4]

Сахаровские условия

В 1967 году Андрей Сахаров предложил ^[5] набор из трех необходимых условий, которым должно удовлетворять взаимодействие, порождающее барионы , чтобы производить материю и антиматерию с разной скоростью. Эти условия были вдохновлены недавними открытиями космического микроволнового фона ^[6] и нарушения CP в нейтральной каонной системе. ^[7] Три необходимых «условия Сахарова» таковы:

• Нарушение барионного числа . ${\displaystyle B}$
• Нарушение С-симметрии и CP-симметрии .
• Взаимодействия вне теплового равновесия .

Нарушение барионного числа

Нарушение барионного числа является необходимым условием для создания избытка барионов над антибарионами. Но нарушение C-симметрии также необходимо, 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 левосторонних барионов и правосторонних антибарионов, а также равное количество левосторонних антибарионов и правосторонних барионов. Наконец, взаимодействия должны быть вне теплового равновесия, так как в противном случае симметрия CPT обеспечивала бы компенсацию между процессами увеличения и уменьшения барионного числа. ^[8]

В настоящее время нет экспериментальных свидетельств взаимодействия частиц, в которых сохранение барионного числа нарушается пертурбативно : 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 учесть нарушение барионного числа в бариогенезисе, такие события (включая распад протона) могут происходить в теориях великого объединения (GUT) и суперсимметричных (SUSY) моделях через гипотетические массивные бозоны, такие как X-бозон . ${\displaystyle [B,H]=BH-HB=0}$

Нарушение CP-симметрии

Второе условие для генерации барионной асимметрии — нарушение симметрии зарядовой четности — заключается в том, что процесс может происходить с другой скоростью, чем его аналог в антиматерии. В Стандартной модели нарушение CP проявляется как сложная фаза в матрице смешивания кварков слабого взаимодействия . Также может быть ненулевая фаза нарушения CP в матрице смешивания нейтрино , но в настоящее время это не измерено. Первым из серии основных принципов физики, которые были нарушены, была четность через эксперимент Цзянь-Шюн У. Это привело к проверке нарушения CP в эксперименте Фитча-Кронина 1964 года с нейтральными каонами , который привел к Нобелевской премии по физике 1980 года (прямое нарушение CP, то есть нарушение CP-симметрии в процессе распада, было обнаружено позже, в 1999 году). Из-за симметрии CPT нарушение CP-симметрии требует нарушения симметрии инверсии времени, или T-симметрии . Несмотря на допущение нарушения CP-симметрии в Стандартной модели, этого недостаточно для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной (БАВ), учитывая ограничения на нарушение барионного числа, что означает, что необходимы источники, выходящие за рамки Стандартной модели .

Возможный новый источник нарушения CP-симметрии был обнаружен на Большом адронном коллайдере (БАК) коллаборацией LHCb в течение первых трех лет работы БАК (начиная с марта 2010 г.). Эксперимент анализировал распады двух частиц, нижней лямбды (Λ _b ⁰ ) и ее античастицы, и сравнивал распределения продуктов распада. Данные показали асимметрию до 20% величин, чувствительных к нарушению CP-симметрии, что подразумевает нарушение CP-симметрии. Этот анализ должен быть подтвержден дополнительными данными из последующих запусков БАК. ^[9]

Одним из методов поиска дополнительного нарушения CP является поиск электрических дипольных моментов фундаментальных или составных частиц. Существование электрических дипольных моментов в равновесных состояниях требует нарушения T-симметрии. Таким образом, обнаружение ненулевого электрического дипольного момента будет означать существование взаимодействий, нарушающих T, в вакуумных поправках к измеряемой частице. До сих пор все измерения согласуются с нулем, накладывая сильные ограничения на свойства пока неизвестных новых взаимодействий, нарушающих CP.

Взаимодействия вне теплового равновесия

В сценарии неравновесного распада ^[10] последнее условие гласит, что скорость реакции, которая генерирует 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 доминирует антиматерия

Другое возможное объяснение кажущейся барионной асимметрии заключается в том, что материя и антиматерия по существу разделены на разные, значительно удаленные области Вселенной . Первоначально предполагалось, что образование галактик антиматерии объясняет барионную асимметрию, поскольку на расстоянии атомы антиматерии неотличимы от атомов материи; оба производят свет (фотоны) одинаково. Однако вдоль границы между областями материи и антиматерии аннигиляция (и последующее производство гамма-излучения ) может быть обнаружена в зависимости от ее расстояния и плотности материи и антиматерии. Такие границы, если они существуют, вероятно, будут лежать в глубоком межгалактическом пространстве. Плотность материи в межгалактическом пространстве достаточно хорошо 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. Такие зоны не были обнаружены, но 30 лет исследований установили пределы того, насколько далеко они могут находиться. На основе таких анализов теперь считается маловероятным, что какая-либо область наблюдаемой Вселенной заполнена антиматерией. ^[4]

Зеркальная антивселенная

Большой взрыв породил пару вселенная-антивселенная: наша Вселенная течет вперед во времени, в то время как наша зеркальная копия течет назад.

Состояние вселенной, как таковое, не нарушает симметрию CPT , потому что 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 временем (T) изображения антивселенной. Эта пара возникла из эпох Большого взрыва не напрямую в горячую, радиационно-доминируемую эпоху. Антивселенная будет течь назад во времени от Большого взрыва, становясь больше по мере этого, и также будет доминировать антиматерия. Ее пространственные свойства инвертированы по сравнению со свойствами нашей вселенной, ситуация, аналогичная созданию пар электрон - позитрон в вакууме . Эта модель, разработанная физиками из Института теоретической физики Периметра в Канаде , предполагает, что температурные колебания в космическом микроволновом фоне (CMB) обусловлены квантово-механической природой пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва. ^[13] Это означает, что точка в будущем нашей Вселенной и точка в далеком прошлом антивселенной будут представлять собой фиксированные классические точки, в то время как все возможные квантовые перестановки будут существовать между ними. ^{[ необходима цитата ]} Квантовая неопределенность приводит к тому, что Вселенная и антивселенная не являются точными зеркальными отражениями друг друга. ^[14]

Эта модель не показала, может ли она воспроизвести определенные наблюдения относительно сценария инфляции, такие как объяснение однородности космоса в больших масштабах. Однако она дает естественное и прямое 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 высокоэнергетических космических лучей . ^[15]

Параметр барионной асимметрии

Вызовы для физических теорий тогда заключаются в том, чтобы объяснить, как создать преобладание материи над антиматерией, а также величину этой асимметрии. Важным квантификатором является параметр асимметрии ,

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

Эта величина связывает общую разницу в плотности числа барионов и антибарионов ( n _B и n _B соответственно) и плотность числа фотонов космического фонового излучения n _γ .

Согласно модели Большого взрыва, материя отделилась от космического фонового излучения (КРИ) при температуре примерно3000 кельвинов , что соответствует средней кинетической энергии3000 К / (10,08 × 10 ³  К/эВ ) =0,3 эВ . После развязки общее число фотонов CBR остается постоянным. Поэтому из-за расширения пространства-времени плотность фотонов уменьшается. Плотность фотонов при равновесной температуре T на кубический сантиметр определяется как

${\displaystyle n_{\gamma }={\frac {1}{\pi ^{2}}}\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)^{3}\times \int _{0}^{\infty }{\frac {x^{2}}{e^{x}-1}}\,dx={\frac {1}{\pi ^{2}}}\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)^{3}\times 2\,\zeta (3)\approx 20.3\left({\frac {T}{1{\text{K}}}}\right)^{3}{\text{cm}}^{-3},}$

где k _B — постоянная Больцмана , ħ — постоянная Планка , деленная на 2π , а 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.

Поэтому параметр асимметрии η , как определено выше, не является "хорошим" параметром. Вместо этого предпочтительный параметр асимметрии использует плотность энтропии 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

${\displaystyle s\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\mathrm {entropy} }{\mathrm {volume} }}={\frac {p+\rho }{T}}={\frac {2\pi ^{2}}{45}}g_{*}(T)T^{3}}$

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 _B T ) при температуре T ,

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

для бозонов и фермионов с g _i и g _j степенями свободы при температурах T _i и T _j соответственно. В настоящее время s  = 7,04 н _γ .

Смотрите также

• Астрономический портал

• Бариогенезис
• нарушение КП
• Список нерешенных проблем по физике

Ссылки

1. "Проблема асимметрии материи-антиматерии". ЦЕРН . Получено 3 апреля 2018 г.
2. Сатер, Эрик. «Тайна асимметрии материи» (PDF) . Университет Вандербильта . Архивировано из оригинала (PDF) 4 апреля 2018 г. . Получено 3 апреля 2018 г. .
3. Саркар, Утпал (2007). Физика частиц и астрочастиц . CRC Press . стр. 429. ISBN 978-1-58488-931-1.
4. Canetti, L.; Drewes, M.; Shaposhnikov, M. (2012). "Материя и антиматерия во Вселенной". New J. Phys . 14 (9): 095012. arXiv : 1204.4186 . Bibcode :2012NJPh...14i5012C. doi :10.1088/1367-2630/14/9/095012. S2CID  119233888.
5. А. Д. Сахаров (1967). «Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной». Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики . 5 : 24–27.и на русском языке, А. Д. Сахаров (1967). «Нарушение CP-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной». ЖЭТФ Письма . 5 : 32–35. Архивировано из оригинала 2019-06-06 . Получено 2017-12-06 .переиздано как AD Sakharov (1991). "Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной". Успехи физических наук (на русском и английском языках). 34 (5): 392–393. Bibcode :1991SvPhU..34..392S. doi :10.1070/PU1991v034n05ABEH002497.
6. AA Penzias ; RW Wilson (1965). "Измерение избыточной температуры антенны на частоте 4080 МГц". Astrophysical Journal . 142 : 419–421. Bibcode :1965ApJ...142..419P. doi : 10.1086/148307 .
7. JW Cronin ; VL Fitch ; et al. (1964). «Доказательства распада 2π мезона K02». Physical Review Letters . 13 (4): 138–140. Bibcode :1964PhRvL..13..138C. doi : 10.1103/PhysRevLett.13.138 .
8. ME Shaposhnikov; GR Farrar (1993). "Барионная асимметрия Вселенной в минимальной стандартной модели". Physical Review Letters . 70 (19): 2833–2836. arXiv : hep-ph/9305274 . Bibcode : 1993PhRvL..70.2833F. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.2833. PMID  10053665. S2CID  15937666.
9. "Новый источник асимметрии между материей и антиматерией | ЦЕРН". home.cern . Получено 2017-12-05 .
10. A. Riotto; M. Trodden (1999). "Последние достижения в бариогенезе". Annual Review of Nuclear and Particle Science . 49 : 46. arXiv : hep-ph/9901362 . Bibcode : 1999ARNPS..49...35R. doi : 10.1146/annurev.nucl.49.1.35 . S2CID  10901646.
11. Дэвидсон, Кей; Смут, Джордж (2008). Морщины во времени . Нью-Йорк: Avon. С. 158–163. ISBN 978-0061344442.
12. Силк, Джозеф (1977). Большой взрыв. Нью-Йорк: Freeman. С. 299. ISBN 9780805072563.
13. "У нашей Вселенной есть партнер-антиматерия по ту сторону Большого взрыва, говорят физики". Physics World . 2019-01-03 . Получено 2020-02-04 .
14. Бойл, Латам; Финн, Киран; Турок, Нил (2018-12-20). "CPT - Симметричная Вселенная". Physical Review Letters . 121 (25): 251301. arXiv : 1803.08928 . Bibcode : 2018PhRvL.121y1301B. doi : 10.1103/PhysRevLett.121.251301. ISSN  0031-9007. PMID  30608856. S2CID  58638592.
15. Бойл, Л.; Финн, К.; Турок, Н. (2018-12-20). «Синопсис: Вселенная предшествовала Антивселенной?». Физика . 121 (25): 251301. arXiv : 1803.08928 . Bibcode : 2018PhRvL.121y1301B. doi : 10.1103/PhysRevLett.121.251301 . PMID  30608856.