Войти
В физической космологии проблема барионной асимметрии, также известная как проблема асимметрии материи или проблема асимметрии материи и антивещества - это наблюдаемый дисбаланс в барионной материи (тип материи, с которой сталкиваются в повседневной жизни) и антибарионной материи в наблюдаемой вселенной. Ни стандартная модель из физики элементарных частиц, ни теория общей теории относительности не дают известного объяснения того, почему это должно быть так, и это естественное предположение, что Вселенная нейтральна со всеми сохраненными зарядами. Большой взрыв должен был произвести равные количества материи и антивещества. Поскольку это, похоже, не так, вероятно, 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».
В 1967 году Андрей Сахаров предложил набор из трех необходимых условий, которым должно удовлетворять барионное -производящее взаимодействие. производить материю и антивещество с разной скоростью. Эти условия были вдохновлены недавними открытиями космического фонового излучения и CP-нарушения в нейтральной системе каон. Три необходимых «условия Сахарова»:
.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. 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. барионы и правые барионы. 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 доказательств взаимодействия частиц, где сохранение барионного числа нарушено пертурбативно : это, по-видимому, предполагает, что все наблюдаемые реакции частиц имеют одинаковое барионное число до и после. Математически коммутатор барионного числа квантового оператора с (пертурбативным) Стандартной моделью гамильтонианом равен нулю: ![[ B, H] = BH - HB = 0](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f0ca20354454b5043fbb654394765ac8f7f4669)
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 CP-нарушение проявляется как сложная фаза в матрице смешения кварков слабого взаимодействия. В матрице смешения нейтрино может также присутствовать ненулевая CP-нарушающая фаза, но это в настоящее время не измеряется. CP-нарушение было впервые обнаружено в эксперименте Фитча-Кронина 1964 года с нейтральными каонами, который привел к присуждению Нобелевской премии по физике 1980 года (прямое CP-нарушение, т. Е. 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 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 (начало марта 2010). Эксперимент проанализировал распад двух частиц, нижнего лямбда (Λb) и его античастицы, и сравнил распределения продуктов распада. Данные показали асимметрию до 20% величин, чувствительных к СР-нарушению, что означает нарушение СР-симметрии. Этот анализ должен быть подтвержден дополнительными данными из последующих запусков LHC.
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.
Другое возможное объяснение очевидной барионной асимметрии состоит в том, что материя 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 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 обнаружено, но 30 лет исследований поставили границы их возможного расположения. 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 с преобладанием вещества и антивещества состоит в том, что они разделены слоем Leidenfrost очень горячего вещества, созданного энергией, высвободившейся при аннигиляции. Это аналогично тому, как вода может быть отделена от горячей плиты слоем испаренного пара, задерживая испарение большего количества воды.
Наличие электрический дипольный момент 20 (EDM) в любой фундаментальной частице нарушил 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. Самый последний предел EDM, опубликованный в 2014 году, был установлен ACME Collaboration, который измерял EDM электрона с помощью импульсного пучка молекул моноксида тория (ThO).
Большой взрыв породил пару Вселенная-антивселенная, наша Вселенная течет вперед во времени, в то время как наша зеркальная копия течет назад. Состояние вселенной, как оно есть, 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) антивселенной. Эта пара возникла из эпох большого взрыва, а не непосредственно в горячую эпоху с преобладанием радиации. Антивселенная будет течь назад во времени от Большого Взрыва, становясь по мере этого больше, в ней также будет преобладать антивещество. Его пространственные свойства инвертированы по сравнению с таковыми в нашей Вселенной, эта ситуация может быть аналогична созданию пар электрон - позитрон в вакууме. Эта модель, разработанная физиками из Института теоретической физики Периметра в Канаде, предполагает, что температурные флуктуации в космическом микроволновом фоне (CMB) происходят из-за квантово-механическая природа пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва. 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 приводит к тому, что Вселенная и антивселенная не являются точными зеркальными отображениями друг друга.
Эта модель не показала, может ли она воспроизвести определенные наблюдения относительно сценария инфляции, такие как объяснение однородности космоса в больших масштабах. Однако он 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 наблюдаемых всплесков высокоэнергетических космических лучей.
Задача физических теорий состоит в том, чтобы объяснить, как добиться преобладания материи над антивещество, а также величина 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 числовую плотность космического фонового излучения фотонов nγ.
Согласно модели Большого взрыва, материя разделена от космического фонового излучения (CBR) при температуре примерно 3000 кельвин, что соответствует средней кинетической энергии 3000 К / (10,08 × 10 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 как постоянная Больцмана, ħ как постоянная Планка, деленная на 2π и c как скорость света в вакууме, и ζ (3) как постоянная Апери. При текущей температуре фотонов CBR, равной 2,725 К, это соответствует плотности фотонов n γ около 411 фотонов CBR на кубический сантиметр.
Следовательно, параметр η асимметрии, как определено выше, не является «хорошим» параметром. Вместо этого предпочтительный параметр асимметрии использует энтропию плотность s,
потому что плотность энтропии Вселенной оставалась достаточно постоянной на протяжении большей части ее эволюции. Плотность энтропии составляет
с p и ρ в качестве давления и плотности из тензора плотности энергии T μν и g * в качестве эффективного числа градусов свобода для «безмассовых» частиц (поскольку выполняется mc ≪ k 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 = 7.04n γ.
Астрономический портал 