Барионная асимметрия вселенной кратко

Обновлено: 06.07.2024

Барио́нная асимметри́я Вселе́нной — наблюдаемое преобладание в видимой части Вселенной вещества над антивеществом. Этот наблюдаемый факт не может быть объяснён в предположении исходной барионной симметрии во время Большого взрыва ни в рамках Стандартной модели, ни в рамках общей теории относительности — двух теорий, являющихся основой современной космологии. Наряду с пространственной плоскостностью наблюдаемой Вселенной и проблемой горизонта он представляет собой один из аспектов проблемы начальных значений в космологии.

В статье 1967 года [1] А. Д. Сахаров сформулировал необходимые условия для наличия барионной асимметрии: [2]

Эта, ставшая классической, работа 1967 года занимает всего 3 страницы журнального текста.[39] Суть проблемы в том, что, как считалось долгое время, теория элементарных частиц зарядово (CP) симметрична, частицы и античастицы, отличающиеся знаком заряда, во всех иных отношениях абсолютно тождественны. И поэтому возникает вопрос, почему во Вселенной наблюдаются галактики и звёзды, состоящие из барионов (протонов, нейтронов…), а антигалактик и антизвёзд, состоящих из антибарионов (антипротонов, антинейтронов) не наблюдается?

Если принять "горячую" теорию происхождения Веселенной, что, как говорилось, было доказано открытием в 1965 году "самого любимого" (А.Д. Сахаров) реликтового излучения, то в первые мгновения после "Большого взрыва" в условиях сверхвысокой температуры рождающиеся парами барионы и антибарионы были представлены в равных количествах. При понижении температуры, обусловленном расширением Вселенной, частицы и античастицы неизбежно аннигилируют, превращаясь в электромагнитное излучение. Именно это, первоначально очень горячее, а на сегодня охладившееся до примерно 3 градусов по Кельвину, реликтовое излучение заполняет равномерно всю Вселенную. Зная её объём, нетрудно подсчитать число фотонов в этом излучении — 10 87 , а значит, столько было пар частица-античастица в первые мгновения, непосредственно перед аннигиляцией. В то же время число барионов в звёздах и галактиках составляет одну миллиардную часть указанного числа первичных пар. Откуда же возник этот "мусор", это ничтожное превышение материи над антиматерией вместо полной их аннигиляции, благодаря чему, среди прочего, появилась возможность возникновения жизни и наших с вами размышлений о тайнах мироздания?

В своей работе Сахаров сформулировал три условия, необходимых для возникновения при аннигиляции первоначально барионно-антибарионно симметричного горячего "бульона" указанного ничтожного "барионного осадка".

1) Объяснение стало возможным после открытия С. Окубо эффекта нарушения комбинированной чётности (CP-чётности) в процессах рассеяния элементарных частиц. (Численные значения характеристик рассеяния некоторых частиц на 0,6% отличаются от характеристик пространственно (P) отражённого рассеяния их античастиц). На экземпляре своей работы, подаренном в 1967 году Е.Л. Фейнбергу, Сахаров написал стих собственного сочинения: "Из эффекта С. Окубо / при большой температуре / для Вселенной сшита шуба / по её косой фигуре".

2) Остаточная барионная асимметрия при аннигиляции возможна только при нарушении симметрии при обращении времени, т.е. в динамических условиях сильной нестационарности, что имеет место по причине стремительного расширения Вселенной после "Большого взрыва".

3) Для возникновения барионной асимметрии Вселенной необходимо предположить, что фундаментальная частица — протон нестабилен, имеет определённое время полураспада. Эта смелая гипотеза Сахарова, воспринятая коллегами как чистое безумие, как уже говорилось, естественно вошла в теоретическую физику в 1979 году в рамках Теории великого объединения. И тогда создатели этой теории вспомнили, что ведь Сахаров говорил об этом ещё 12 лет назад! Такое признание стало важным спасительным фактором в начале 1980 года, первые месяцы после ссылки, когда газеты клеймили Сахарова и писали, что он "выродился как учёный".[40] Распад протона предсказывается и в теориях суперсимметрии.

Но если, следуя Сахарову и указанным теориям, признать, что протон — этот основной "кирпичик мироздания" нестабилен, то почему же "мироздание" не распалось вместе с ним? Ответ прост, но и совершенно нетривиален. По оценкам, проведённым Сахаровым в работе 1967 года, для возникновения на начальной стадии существования Вселенной её наблюдаемой барионной асимметрии достаточно предположить, что протон нестабилен со временем жизни примерно 10 50 лет (в десять тысяч миллиард-миллиард-миллиард-миллиардов раз больше возраста Вселенной, порядок которого 10 миллиардов лет). В первоначальных моделях Теории великого объединения рассчитанный возраст протона был меньше и составлял "только" 10 30 лет. Ясно, что в любом варианте для нас такой протон практически вечен.

Удивительно, что эти немыслимо большие времена жизни протона допускают экспериментальную проверку. Идея опытов опять же проста. В одном кубометре воды содержится примерно 10 30 протонов, значит, если протон живёт в среднем именно такое число лет, то в течение года хотя бы один протон кубометра воды должен распасться. Если камеру с водой поместить глубоко под землёй (дабы исключить помехи вызванные проникновением космических лучей) и окружить её датчиками, реагирующими на факт распада протона, то можно таким образом зафиксировать даже единичное событие, например, распад хотя бы одного протона в течение года или 10 лет. В США такую установку (7000 тонн воды, окружённой 2000 фотоумножителей) разместили на месте бывших соляных копей под озером Эри в штате Огайо. Параллельно в Японии в подземной лаборатории Камиока был создан детектор, где 3000 тонн воды просматривались 1000 фотоумножителями. Однако к концу 80-х годов ни одного случая распада протона зафиксировано не было. В 1995 году японская группа построила новый детектор, увеличив массу воды до 50 000 тонн. Наблюдения продолжаются по сей день, но результат поисков распада протона по-прежнему отрицателен. Эти эксперименты с отрицательным результатом, не доказывают, что Сахаров был неправ, но исключили некоторые модели Теории великого объединения. Ведь Сахаров называл время жизни протона порядка 10 50 лет, а эксперимент пока что однозначно доказал, что это время жизни не менее 10 33 лет.

Обращаю внимание на некоторую методологическую параллель: в двухступенчатой конструкции водородной бомбы с использованием "Третьей идеи" возможность достижения искомого эффекта (срабатывания второй ступени и термоядерный взрыв) зависела от деталей процессов, протекающих за миллиардные доли секунды после подрыва атомной бомбы первой ступени. Получение искомой барионной асимметрии Вселенной зависит от деталей процессов (величина нарушения комбинированной чётности 0,6% в первом условии Сахарова, темп расширения Вселенной в момент аннигиляции частиц и античастиц во втором условии, очень большое, но всё-таки конечное определённой величины время жизни протона в третьем его условии) протекающих за ещё более короткое время в первые мгновения существования Вселенной. И при решении обеих этих задач, как и в других своих работах, Сахаров проводит расчёты и оценки, результатом которых становится точный численный ответ.

Наука, конечно, идёт вперёд, и после выхода пионерской работы Сахарова появилось много идей и направлений исследований по проблеме бариогенезиса (возникновения избытка барионов над антибарионами) на начальном этапе существования Вселенной, в том числе модель низкотемпературного бариогенезиса в рамках стандартной теории электрослабых взаимодействий (см. об этом, например, в комментарии В.А. Кузьмина в Собрании научных трудов Сахарова[41]).

В последние годы широко обсуждаются модели бариогенезиса на стадии “reheating” в моделях инфляции (раздувающаяся Вселенная). На характерном для этих моделей начальном почти экспоненциальном раздувании Вселенной "зануляются" по причине стремительного увеличения объёма любые неоднородности. В результате возникает универсальное вакуумно-подобное состояние с положительной гигантской энергией вакуума ("тёмной энергией"). "Жизнь" нашей наблюдаемой Вселенной начинается в момент распада этого универсального вакуумного состояния, превращения вакуумной энергии в горячую материю (отсюда термин "reheating"). Именно на этой стадии "срабатывают" три вышеуказанных условия Сахарова возникновения наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной. И на этом же этапе из начальных квантовых неоднородностей вакуума (а никаких других неоднородностей, как было сказано, на стадии раздувания быть не может) возникают те затравочные неоднородности вещества, из которых позже образовались галактики и звёзды. — О соответствующей работе Сахарова — см. в следующем разделе.

Объяснение тунеядца

Объяснение тунеядца 4 февраля 78го года. (Редкий случай, когда у меня оказалась записанной дата.)Опять начинаю с привычной фразы: звонок в дверь. Я открыл — на пороге наш участковый — пожилой, седоватый, скромного вида, характера и звания капитан Иван Сергеевич Стрельников.

Объяснение

Объяснение Откуда ты пришла? – Из детства моего. Что ты во мне нашла? – Почти что ничего. Зачем же ты со мной? – Мне трудно быть одной. Друзей полно вокруг! – Один мне нужен друг. В друзья я не гожусь! – Я все сама пойму. Я – лгун! Я – глуп! Я – трус! – Святой мне ни к

Объяснение с Кирпиченко

Объяснение с Кирпиченко Однажды, на третий или четвертый день мое тет-а-тет c миской тушеной говядины было нарушено. В комнату вошел Кирпиченко и уселся напротив меня.— Чего ты добиваешься, Керсновская? Если мы сочтем нужным, тебя будут кормить насильственным

ГАФТ не рифмуется ни с чем Актер об актере: дружеское объяснение в любви

ГАФТ не рифмуется ни с чем Актер об актере: дружеское объяснение в любви Я припоминаю Школу-студию МХАТ в 1953 году. Вступительные экзамены абитуриентов. Я уж закончил первый курс. Мы, перешедшие на второй, болеем за вновь поступающих. Перед комиссией появляется длинный

Объяснение тунеядца

ОБЪЯСНЕНИЕ ЛАТИНСКИХ СЛОВ И ВЫРАЖЕНИЙ

ОБЪЯСНЕНИЕ ЛАТИНСКИХ СЛОВ И ВЫРАЖЕНИЙ Оригинал книги П. Грималя насыщен латинскими терминами. Большинство из них переведено на русский и включено в текст настоящего издания без примечаний и пояснений. В данный указатель введены лишь те, которые выражают глубинные

Объяснение с Кирпиченко

Объяснение с Кирпиченко Однажды, на третий или четвертый день мое тет-а-тет c миской тушеной говядины было нарушено. В комнату вошел Кирпиченко и уселся напротив меня. — Чего ты добиваешься, Керсновская? Если мы сочтем нужным, тебя будут кормить насильственным

Объяснение по плану

Объяснение по плану Утром 12-го после проигрыша, не вставая с постели, Маяковский пишет предсмертное письмо. За этим занятием застает его П. И. Лавут. Ни о чем не подозревая, он уговаривает Маяковского выступить перед студентами взамен сорванного накануне вечера.

ОБЪЯСНЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБЪЯСНЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ В основе всякого искусства лежит выбор. Собственно говоря, выбор — существеннейшая сторона всякого творчества. Он определяет характер произведения. Выбор — это уже зачаток произведения. В некоторых видах искусства, например в жанре романа, автор

ГЛАВА XII. ПУБЛИЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ОУЭНА

ГЛАВА XII. ПУБЛИЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ОУЭНА В 1840 году молодая английская королева Виктория, по внушению тогдашнего главы министерства, лорда Мельбурна, пожелала видеть Роберта Оуэна, о котором уже стали забывать в английском обществе. Свидание это, как и следовало ожидать, не

Объяснение в любви

Объяснение в любви Дети завели новую, только что купленную пластинку. Зазвучало нечто вроде: Ля-ди-ду-ди, Лучших нет котлет! Ля-ди-ду-ди, Быстро на обед! Жизнь была кончена. Мелодия закладывалась в голову с одного раза, как обойма в пистолет, и прилипала к памяти подобно

Объяснение любви

Объяснение любви Это один из редких партнеров, очень родной по духу. С ним я могу не видеться годами, но если встречаюсь на кинопробе, на репетиции или сразу на съемке – у меня возникает ощущение, что все это время мы не расставались, а жили рядом, бок о бок. Из книги

Глава 10 Объяснение принадлежит Богу

Глава 10 Объяснение принадлежит Богу Возможно, вы слышали, что некоторые говорят, что свидетели Иеговы объясняют Библию по-своему. Что ж, люди могут стараться угодить себе, преследуя собственные интересы и всё упрощать. Однако, объяснение Библии, которого придерживаются

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:

b > (0,1 - 0,01)H_m t . D B

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

- 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 .

Читайте также: