Под барионной асимметрией вселенной понимают неравномерное распределение вещества во вселенной

БАРИОННАЯ АСИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ — наблюдаемое в окружающей нас части Вселенной преобладание вещества над антивеществом, экстраполируемое на Вселенную в целом (см. Барионы , Античастицы ). Очевидно, антивещества нет на Земле, т. к. перемешанные вещество и антивещество мгновенно аннигилируют с выделением огромной энергии (см. Аннигиляция ). Данные о метеоритных вспышках, межпланетном газе, солнечном ветре говорят, что антивещество отсутствует и в Солнечной системе. Более того, малое количество антипротонов и более тяжёлых антиядер в космических лучах , а также тот факт, что в межзвездном газе не происходит аннигиляции протонов (p) и антипротонов (), к-рую можно было бы наблюдать по появлению фотонов высокой энергии ( g ) от цепочки реакций , показывают, что антивещество в Галактике в больших количествах отсутствует.

Вопрос о присутствии антивещества в др. галактиках сложнее. Прямые наблюдения не исключают того, что нек-рые из этих галактик могли бы состоять из антивещества. Известны, однако, сталкивающиеся галактики. В ряде случаев большое число галактик, входящих в одно скопление, погружено в общее облако газа. В подобных случаях можно считать, что все эти галактики состоят из вещества одного типа.

Данные теоретич. и лабораторных исследований указывают на симметрию св-в частиц и античастиц: их массы в точности одинаковы, заряды равны и противоположны по знаку. При встрече частицы и античастицы аннигилируют. Естественно было бы считать, что симметрии св-в соответствует и симметрия распространённости, т. е. что во Вселенной число частиц и античастиц одинаково. Локально, т. е. в малой области пространства, такого, очевидно, быть не может из-за аннигиляции. В больших областях пространства в принципе можно представить себе ситуацию, когда одни области заполнены только веществом, другие — антивеществом, а в среднем количества вещества и антивещества одинаковы. Такое обособление вещества и антивещества вряд ли могло быть следствием каких-то начальных условий, т. к. первичная горячая плазма на ранних стадиях расширения Вселенной при несохранении количества барионов (см. ниже) в силу термодинамического равновесия локально содержала равное число частиц и античастиц (см. в ст. Космология ). Предположение же о том, что между веществом и антивеществом имеются силы отталкивания, приводящие к их разделению в больших масштабах, противоречит совр. данным о св-вах элементарных частиц.

Т. о., общепринята точка зрения, что в окружающем нас мире нет антивещества, несмотря на определённую симметрию между частицами и античастицами.

Наличие во Вселенной вещества и отсутствие антивещества называют барионной асимметрией Вселенной, имея в виду, что существует вещество, состоящее из протонов и нейтронов, объединённых общим названием — «барионы», и отсутствует антивещество, состоящее из антибарионов (т. е. антипротонов и антинейтронов).

Отношение ср. плотности (концентрации) барионов во Вселенной n_B к ср. плотности фотонов реликтового излучения n _g ( 500 см 3 ) явл. фундаментальной константой совр. космологии и, согласно существующим данным, равно

На совр. этапе эволюции Вселенной антивещества в ней практически нет, но на ранней стадии развития, когда темп-pa была достаточно высокой (Т > 10 13 К) и энергия фотонов превышала энергию покоя протона и нейтрона, количество частиц и античастиц должно было быть примерно равным: .

Иными словами, на каждый миллиард антибарионов в плазме содержался миллиард барионов и ещё один барион. В дальнейшем при расширении и охлаждении плазмы каждая частица нашла себе партнёра, с к-рым и проаннигилировала, образовав в конечном счёте фотоны. Эти фотоны и составляют значит. часть наблюдаемого сейчас реликтового радиоизлучения (см. Микроволновое фоновое излучение ). «Лишние» же протоны и нейтроны, не найдя себе напарника для аннигиляции, послужили в дальнейшем «строительным материалом» нашего мира.

В совр. науке факт Б. а. В. и значение b определяются не из фундаментальной физ. теории, а из астрономич. наблюдений. Именно астрономич. наблюдения указали на необходимость такой перестройки теории элементарных частиц, к-рая могла бы объяснить Б. а. В.

По совр. представлениям, возникновение Б. а. В. явл. следствием трёх физ. явлений: отсутствия точной симметрии между частицами и античастицами, несохранения количества барионов, расширения Вселенной. Рассмотрим эти явления подробней.

1. Совр. теория утверждает, что частицы и античастицы обладают симметрией свойств. Это следует из т. н. СРТ-теоремы квантовой теории поля, согласно к-рой законы природы не изменятся, если от частиц перейти к античастицам (С-преобразование) и одновременно произвести замену координат r на -r (зеркальное отражение, или Р-преобразование) и изменить направление времени на обратное (Т-преобразование). В силу СРТ-теоремы, если в системе протекает к.-л. процесс с участием элементарных частиц, то в ней возможен и СРТ-сопряжённый процесс, в к-ром частицы заменены соответствующими античастицами, проекции их спинов изменили знак, а начальные и конечные состояния поменялись местами.

Эксперимент, однако, показывает, что относительно С-, Р- и Т-преобразований (инверсий) в отдельности симметрия немного нарушена. В частности, если частица нестабильна и может распадаться в разные конечные состояния, то вероятности распадов в данное конкретное состояние для частицы и в аналогичное (зарядово-сопряжённое) для античастицы оказываются несколько различными. Это явление наз. нарушением С- и СР- симметрии. Различие в вероятностях очень мало, но именно оно обеспечивает преимущественное выживание частиц вещества в нашем мире.

2. Согласно имеющимся экспериментальным данным, разность полного числа барионов и антибарионов, называемая барионным зарядом (B), явл. сохраняющейся величиной. Прежде всего об этом свидетельствует стабильность окружающего нас вещества — протонов и атомных ядер. Далее из опытов, выполненных на ускорителях, известно, что рождение антибариона в к.-л. реакции обязательно сопровождается рождением бариона, так что разность между полным числом барионов и антибарионов в начальном и конечном состояниях остаётся неизменной. Если барионы действительно сохраняются, то сколько барионов находилось с «самого начала» в нашей Вселенной, столько же и должно остаться в ней навсегда.

Однако с каждым известным сохраняющимся зарядом связана безмассовая частица — переносчик взаимодействия с этим зарядом (напр., фотон для частиц, обладающих электрич. зарядом). Можно считать установленным, что для барионного заряда подобной частицы не существует. Более того, теоретические Великого объединения модели предсказывают, что барионный заряд действительно не сохраняется, что наблюдаемая стабильность протона явл. лишь приближённой. Опыты по поискам распада протона пока не дали однозначных результатов. Не исключено, что определение времени жизни протона лежит за пределами совр. экспериментальных возможностей. В этом случае лишь астрономия (а именно: данные об отсутствии антивещества во Вселенной) может свидетельствовать о несохранении барионов.

Один из возможных путей, ведущих к несохранению барионного заряда, связан с распадом Х-бозонов — тяжёлых частиц, предсказываемых моделями великого объединения. Х-бозоны могут распадаться двумя способами: на пару кварков (qq) и на антикварк и антилептон (). В первом случае барионный заряд конечного состояния равен 2 /₃, а во втором равен — 1 /₃. Если бы законами физики был разрешён только один из этих распадов, то барионный заряд остался бы сохраняющимся, при этом пришлось бы приписать некий барионный заряд Х-бозону. Именно наличие двух путей распада одной и той же частицы, ведущих к различным барионным зарядам в конечном состоянии, определяет несохранение В. Если первый процесс провести в обратном направлении, а затем включить второй: , то в сумме барионный заряд В изменится на единицу.

Аналогичная ситуация возможна для анти-Х-бозонов: , причём в силу нарушения С- и СР-симмет-рий вероятность распада (X qq) не равна вероятности зарядово-сопряжённого распада (). Поэтому при распаде симметричной смеси Х- и родится различное число барионов (кварков) и антибарионов (антикварков).

Эффект несохранения В в распадах Х-бозонов велик, но при энергиях, достижимых в совр. лабораториях, несохранение В настолько мало, что пока не обнаружено. Это связано с гигантской величиной массы Х-бозонов (предположительно, m_X > 10 14 -10 15 ГэВ). Вероятность процессов с их участием содержит фактор ( e /m_X) 4 , где e — характерная энергия в данном процессе. Очевидно, что с ростом энергии вероятность несохранения В растёт, и при энергиях

10 14 -10 15 ГэВ процессы с несохранением барионного заряда должны происходить с той же примерно вероятностью, что и процессы с его сохранением. К сожалению, пока нет и, по-видимому, ещё долго не будет ускорителя, на к-ром можно было бы непосредственно изучать законы взаимодействия частиц при таких энергиях. Однако самопроизвольный распад протона, если он будет обнаружен, косвенно позволит нам «заглянуть» в область этих сверхбольших энергий. Несохранение барионного заряда могло бы проявиться также в рождении антинейтронов в пучке свободных нейтронов — в т. н. нейтрон-антинейтронных осцилляциях. Их поиск также ведётся. В этих осцилляциях барионный заряд должен меняться сразу на две единицы.

Если в истории развития Вселенной был период, когда темп-pa была

10 14 -10 15 ГэВ (10 27 — 10 28 К), а плотность

10 75 г/см3, то в это время несохранение барионного заряда должно было быть велико, в частности за счёт того, что в первичной плазме при такой темп-ре могли рождаться Х-бозоны. Именно тогда из-за отличия в св-вах частиц и античастиц и мог возникнуть небольшой избыток барионов. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, средние расстояния между частицами росли, энергии падали и процессы, приводящие к несохранению барионов, постепенно выключались. Это вскоре привело к практически точному сохранению барионов и позволило небольшому избытку барионов, возникшему на сверхплотной стадии развития Вселенной, дожить до нашего времени в виде наблюдаемого во Вселенной вещества.

3. В приведённых рассуждениях существенную роль играет нестационарность Вселенной. Дело в том, что изолированная система, достаточно долго находящаяся в стационарном состоянии, обязательно приходит к термодинамич. равновесию. А в равновесном состоянии при несохранении В количество барионов равно количеству антибарионов. Это явл. следствием СРТ-теоремы. Но поскольку Вселенная нестационарна (расширяется), термодинамич. равновесие оказывается нарушенным. При этом из-за нарушения С- и СР-симметрий и несохранения барионного заряда число барионов обязательно не будет равно числу антибарпонов.

Величину b в обсуждаемой модели можно выразить через параметры, характеризующие взаимодействия Х-бозонов, их массу и темп расширения мира:

где H_m— постоянная Хаббла в момент, когда темп-pa первичной плазмы (энергия частиц) в энергетич. ед. была равна массе Х-бозонов, t — время жизни Х-бозонов, а D B- разность вероятностей распада . Можно с достаточной уверенностью сказать, что D B

Источник

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