Барионная асимметрия Вселенной

Барионная асимметрия Вселенной — это наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом в нашей Вселенной. Согласно современным данным, Вселенная состоит почти исключительно из вещества (барионов, таких как протоны и нейтроны), в то время как антивещество встречается крайне редко. Это явление является одной из важнейших нерешенных проблем современной физики и космологии.

 

Наблюдательные данные

1. Отсутствие антивещества

   • В наблюдаемой Вселенной практически нет крупных скоплений антивещества. Если бы антивещество существовало в значительных количествах, мы бы наблюдали аннигиляцию на границах областей вещества и антивещества, что привело бы к излучению гамма-квантов с характерной энергией. Однако такие сигналы не обнаружены.

2. Космологические измерения

   • Из наблюдений реликтового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной следует, что отношение числа барионов к числу фотонов составляет около $\eta \approx 6\times 10^{-10}$. Это означает, что на каждый барион приходится около миллиарда фотонов.

3. Нуклеосинтез

   • Теория Большого взрыва предсказывает, что в ранней Вселенной происходил процесс первичного нуклеосинтеза, в результате которого образовались легкие элементы (водород, гелий, литий). Наблюдаемое соотношение этих элементов согласуется с наличием небольшого избытка вещества над антивеществом.

 

Проблема барионной асимметрии

Если в ранней Вселенной вещество и антивещество существовали в равных количествах, то в процессе эволюции Вселенной они должны были аннигилировать, оставив после себя только фотоны и нейтрино. Однако наблюдаемый избыток вещества указывает на то, что в ранней Вселенной существовал механизм, который привел к нарушению симметрии между веществом и антивеществом.

 

Условия Сахарова

В 1967 году советский физик Андрей Сахаров сформулировал три необходимых условия для возникновения барионной асимметрии:

1. Нарушение барионного числа (B)

   • Должны существовать процессы, нарушающие сохранение барионного числа. В Стандартной модели физики элементарных частиц такие процессы возможны, но они крайне редки.

2. Нарушение C- и CP-симметрии

   • C-симметрия (зарядовое сопряжение) и CP-симметрия (комбинированная симметрия зарядового сопряжения и пространственной инверсии) должны быть нарушены. Это означает, что процессы с участием частиц и античастиц должны протекать с разной скоростью.

   • В Стандартной модели CP-нарушение наблюдается в слабых взаимодействиях, но его уровень недостаточен для объяснения наблюдаемой асимметрии.

3. Отклонение от теплового равновесия

   • Вселенная должна была находиться в состоянии, далеком от теплового равновесия, чтобы процессы, создающие асимметрию, могли происходить эффективно.

 

Возможные механизмы возникновения асимметрии

1. Лептогенез

   • В теориях, выходящих за рамки Стандартной модели (например, в теориях с тяжелыми правыми нейтрино), может происходить нарушение лептонного числа (L). Это нарушение затем преобразуется в барионную асимметрию через сфалеронные процессы (эффекты, связанные с нестабильностью вакуума в электрослабой теории).

2. Электрослабый фазовый переход

   • В ранней Вселенной мог происходить фазовый переход, связанный с нарушением электрослабой симметрии. Если этот переход был первого рода, он мог создать условия для отклонения от равновесия и генерации асимметрии.

3. Генерация асимметрии в инфляционной модели

   • В моделях инфляции барионная асимметрия могла быть создана за счет взаимодействия инфлатонного поля с полями, нарушающими барионное число.

4. Новые источники CP-нарушения

   • В расширениях Стандартной модели, таких как суперсимметрия или теории с дополнительными Higgs-полями, могут существовать новые источники CP-нарушения, достаточные для объяснения асимметрии.

 

Современные исследования

1. Эксперименты по поиску CP-нарушения

   • Эксперименты на ускорителях, таких как LHC (Большой адронный коллайдер), и в нейтринных обсерваториях направлены на поиск новых источников CP-нарушения.

2. Изучение свойств нейтрино

   • Нейтринные осцилляции и возможное нарушение лептонного числа являются ключевыми направлениями в исследовании барионной асимметрии.

3. Космологические наблюдения

   • Изучение реликтового излучения и крупномасштабной структуры Вселенной помогает уточнить параметры, связанные с барионной асимметрией.

 

Значение барионной асимметрии

Барионная асимметрия Вселенной является важным ключом к пониманию физики за пределами Стандартной модели. Ее объяснение может привести к открытию новых частиц, взаимодействий или симметрий, что значительно углубит наше понимание природы.

Таким образом, барионная асимметрия остается одной из самых интригующих загадок современной науки, и ее решение может стать важным шагом к созданию более полной теории фундаментальных взаимодействий.