Что такое барионная асимметрия вселенной

БАРИОННАЯ АСИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ

— экстраполяция на Вселенную в целом наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом в нашем локальном скоплении галактик. Заключение об отсутствии сопоставимого с веществом кол-ва антивещества (в скоплении галактик доля антивещества составляет -4 ) основано на эксперим. поисках аннигиляц. квантов. Количеств. мерой асимметрии Вселенной служит величина

где — концентрации барионов, антибарионов и реликтовых фотонов. Концентрация реликтовых фотонов известна достаточно хорошо — они имеют нлан-ковский спектр с темп-рой T

ЗК, что соответствует =500 см -3 . Плотность барионного заряда известна гораздо хуже: ограничения на параметр замедления расширения Вселенной из космологич. плотности вещества дают n -6 см -3 ; снизу п ограничено массой видимого вещества галактик: n>3*10 -8 см -3 . T о., = 10 -8 -10 -10 . При адиабатич. расширении Вселенной величина слабо зависит от времени. Так, с момента t=10 -6 с, что соответствует темп-ре Вселенной T

1 ГэВ (см. Горячей Вселенной теория), к настоящему времени она уменьшилась приблизительно в 5 раз из-за подогрева фотонного газа при аннигиляции тяжёлых частиц (изменения за счёт возможных процессов с несохранением барионного числа В не происходит, поскольку их скорость при 1 ГэВ пренебрежимо мала). Физ. смысл величины состоит в том, что при 10 -6 с она совпадает по порядку величины с относит. избытком барионов над антибарионами, поскольку при T

1 ГэВ кол-во нуклон-антинуклонных (кварк-антикварковых) пар и фотонов совпадает (с точностью до числа степеней свободы). T. о., при t

10 -6 с на 10 8 — 10 10 барион-антибарионных пар приходился один избыточный барион.

Величина является фундам. характеристикой Вселенной. Объяснение происхождения Б. а. В. и величины — одна из ключевых проблем совр. космологии и физики элементарных частиц. Конечно, можно стать на точку зрения, что Вселенная с самого начала была глобально асимметричной, а величину задать как начальное условие. Такое «объяснение» ничему не противоречит, однако оно представляется неудовлетворительным.

Наиб. привлекательным является такое объяснение происхождения Б. а. В., в к-ром принимается, что Вселенная сначала симметрична по В, а затем на нек-ром этапе возникает асимметрия в наблюдаемой части Вселенной. Если закон сохранения барионного числа в микропроцессах является точным, то для этого необходима либо сепарация вещества и антивещества в макро-скопич. масштабах (что считается трудно осуществимым), либо «погребение» антибарионов в чёрные дыры, к-рые при условии нарушения СP-инвариантности могут разделять вещество и антивещество. Последний подход рассматривался; однако для количеств. оценок он требует дополнит. гипотез о существовании тяжёлых частиц, распадающихся с сильным нарушением СР-инвариантности.

Наиб. естественным с точки зрения физики частиц представляется подход, при к-ром барионное число не сохраняется. Общие условия возникновения Б. а. В. при этом таковы. Взаимодействия, не сохраняющие В, должны нарушать зарядовую симметрию С (см. Зарядовое сопряжение), поскольку при сохранении С скорости прямых и обратных процессов с несохранением В одинаковы. Аналогично должна нарушаться CP- инвариантность. Наконец, эти процессы В -нарушающего взаимодействия не должны находиться в термодинамич. равновесии, поскольку тогда требование сохранения симметрии CPT (см. Теорема CPT )обеспечивает нейтральность системы по всем несохраняющимся зарядам, в данном случае по В, т. е. в термодинамич. равновесии B = 0. Синтез моделей великого объединения и теории горячей Вселенной обеспечивает естеств. выполнение всех условий образования Б. а. В., поскольку модели великого объединения содержат С- и CP- несохраняющие взаимодействия, нарушающие В, а Вселенная при своём расширении и охлаждении проходит стадию, когда эти взаимодействия выходят из равновесия.

Предполагаемый механизм возникновения Б. а. В. таков. Согласно моделям великого объединения, в природе существуют лептокварки (X)- частицы, переносящие взаимодействия с несохранением В. Их масса зависит от модели: векторные лептокварки обычно имеют массу порядка M X

10 14 -10 18 ГэВ, а скалярные

10 10 -10 15 ГэВ. Вследствие С — и СР-нарушения, а также несохранения В при распаде лептокварков чаще образуются кварки (q) и лептоны (l), чем антикварки и антилептоны . Зарядово-симметричная часть вещества плазмы в последующей эволюции Вселенной аннигилирует в конце концов в фотоны, нейтрино и антинейтрино, тогда как асимметричная часть остаётся, давая начало наблюдаемому миру галактик, звёзд и т. п. Величина возникающей т. о. асимметрии определяется как параметрами модели великого объединения, так и законом эволюции Вселенной. Так, предположим, что существует один лептокварк X, к-рый может распадаться либо на два антикварка, либо на кварк и лептон с парциальными ширинами соответственно Г 1 и Г 2 . Тогда барионный заряд B X , образующийся при распаде X, равен :

( -полная ширина распада). Для антилептокварка X, распадающегося по схеме: или

с ширинами и ,.

В силу CPТ -теоремы , однако

из-за несохранения С и . Поэтому микроскопич. асимметрия

Макроскопич. асимметрия получается при этом порядка

где N — полное число степеней свободы всех частиц (оно определяет увеличение числа фотонов за счёт аннигиляции остальных частиц), S — макроскопич. фактор подавления, учитывающий влияние симметричной плазмы на распады лептокварков. В рассмотренном примере

где , (=1,2*l0 19 ГэВ — планковская масса). При распады лептокварков являются неравновесными и поэтому весь избыток барионного заряда доживает до совр. эпохи. Если же , то частичное термодинамич. равновесие по процессам с несохранением В приводит к уменьшению Б. а. В. При определ. выборе параметров модели можно прийти к такой ситуации, когда Б. а. В. практически не зависит от нач. условий: даже если в сингулярности был барионный избыток, равновесный по взаимодействиям с несохранением В период «стирает» нач. значение В, при выходе же из этого периода Вселенная приобретает ВK0 за счёт микропроцессов. Получаемая при этом величина при естеств. выборе параметров составляет

Большие неопределённости в предсказании в рамках моделей великого объединения связаны с возможностью существования разл. механизмов нарушения СР-инвариантности в этих моделях (напр., при спонтанном нарушении СР-симметрии могут образовываться макроскопические домены вещества и антивещества) и с недостаточным знанием законов эволюции Вселенной на ранних этапах её расширения (возможная неоднородность и анизотропность, влияние фазовых переходов с изменением группы симметрии великого объединения и т. д.). Трудно оценить также вклад в испарения первичных чёрных дыр из-за незнания их спектра и концентрации на ранних этапах расширения Вселенной. Вместе с тем близость оценки к наблюдат. данным приводит к заключению, что описанный механизм возникновения Б. а, В. может соответствовать действительности.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, M., 1975; Сахаров А. Д., Нарушение СР-инвариантности и С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной, «Письма в ЖЭТФ», 19Н7, т. 5, с. 32; Кузьмин В. А., СР-неинвариантность и барионная асимметрия Вселенной, там же, 1970, т. 12, с. 335; Зельдович Я. Б., Зарядовая несимметрия Вселенной как следствие испарения черных дыр и несимметрия слабого взаимодействия, там же, 1976, т. 24, с. 29; Игнатьев А. Ю., Кузьмин В. А., Шапошников M. E., О происхождении барионной асимметрии Вселенной, там же, 1979, т. 30, с. 726; Долгов А. Д., Зельдович Я. В., Космология и элементарные частицы, «УФН», 1980, т. 130, с. 559; Кузьмин В, А., Ткачев И. И., Шапошников M. E., Существуют ли домены антивещества во Вселенной, «Письма в ЖЭТФ», 1981, т. 33, с. 557; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, M., 1981; Вайнберг С., Первы три минуты, пер. с англ., M., 1981; Вил чек Ф., Космическая асимметрия между материей и антиматерией, пер. с англ., «УФН», 1982, т. 136, с. 149; Ignаtiev A. Yu. и др., universal CP-noninvariant superweak interaction and baryon asymmetry of the Universe, «Phys. Lett.», 1978, v. 76 B, p. 436. В. А. Кузьмин, M. E. Шапошников.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое «БАРИОННАЯ АСИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ» в других словарях:

Барионная асимметрия Вселенной — Барионная асимметрия Вселенной наблюдаемое преобладание в видимой части Вселенной вещества над антивеществом. Этот наблюдательный факт не может быть объяснён ни в рамках Стандартной модели, ни в рамках общей теории относительности … … Википедия

Асимметрия Вселенной барионная — наблюдаемое в окружающей нас части Вселенной преобладание вещества над антивеществом, экстраполируемое на Вселенную в целом (см. Барионы, Вселенная). Очевидно, антивещества нет на Земле, т. к. перемешанные вещество и антивещество мгновенно… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

ЭНТРОПИЯ ВСЕЛЕННОЙ — величина, характеризующая степень неупорядоченности и тепловое состояние Вселенной. Количественно оценить полную Э. В. как энтропию Клаузиуса (см. Энтропия )нельзя, поскольку Вселенная не является термодинамич. системой. Действительно, из за того … Физическая энциклопедия

Нарушение CP-инвариантности — В физике элементарных частиц нарушение CP инвариантности это нарушение комбинированной чётности (CP симметрии), то есть неинвариантность законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на… … Википедия

Антивещество — Антивещество вещество, состоящее из античастиц. Содержание 1 Свойства 2 Получение 3 Стоимость … Википедия

Нарушение CP-симметрии — В физике элементарных частиц нарушение CP инвариантности это нарушение постулируемой CP симметрии законов физики. Оно играет важную роль в теориях космологии, которые пытаются объяснить превосходство материи над антиматерией в нашей Вселенной.… … Википедия

Проблема слабого CP-нарушения — В физике элементарных частиц нарушение CP инвариантности это нарушение постулируемой CP симметрии законов физики. Оно играет важную роль в теориях космологии, которые пытаются объяснить превосходство материи над антиматерией в нашей Вселенной.… … Википедия

ФОНОВОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — эл. магн. излучение Вселенной, не искажённое ближайшими источниками (атмосферой Земли, излучением Галактикой т. п.). Именно Ф. к. и. должны были бы воспринимать приборы с широким полем зрения, вынесенные в пространство между галактиками. К… … Физическая энциклопедия

Нерешённые проблемы современной физики — Приведён список нерешённых проблем современной физики[1]. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер, что означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные… … Википедия

Бариогенезис — Бариогенез (лат. bariogenesis) состояние Вселенной на промежутке времени 10−35 10−31с с момента Большого Взрыва (инфляционная эпоха), во время которого происходило объединение кварков и глюонов в адроны (в том числе в барионы), а также … Википедия

Источник