Жаңарған ғаламдағы материя мен антиматерия арасындағы теңсіздік құбылысы

Кіріспе

Гипотезаланған ерте ғалам процесі

Физикалық космологияда бариогенез (бариосинтез деп те аталады) – ерте ғаламда бариондық асимметрияны, яғни байқалатын ғаламдағы материя (бариондар) мен антиматерия (антибариондар) арасындағы тепе-теңсіздікті тудыру үшін болған физикалық процесс деп гипотездалады. Қазіргі физикадағы ең маңызды мәселелердің бірі – ғаламда антиматерияға қарағанда материяның басымдығы. Ғаламның өзі нөлден өзге оң бариондық сан тығыздығына ие болып көрінеді. Космологияда біз көріп отырған бөлшектер бүгін өлшейтін физикамызбен құрылған деп есептелетіндіктен, жалпы бариондық сан нөл болуы керек, себебі материя мен антиматерия тең мөлшерде құрылуы тиіс еді. Осы қарама-қайшылықты есепке алу үшін бірқатар теориялық механизмдер ұсынылған, атап айтқанда симметрияның бұзылуына және қалыпты материяның (антиматерияға қарсы) пайда болуына жағдай жасайтын шарттарды анықтау. Бұл тепе-теңсіздік өте кішкентай болуы керек, Үлкен жарылыстан кейін секундыдың шағын бөлігінде әр 1630000000 (≈2) бөлшекке шамамен 1-і. Материя мен антиматерияның көп бөлігі жойылғаннан кейін, қазіргі ғаламдағы барлық бариондық материя және одан да көп бозондар қалды. Алайда, 2010 жылы Фермилабта жүргізілген эксперименттер бұл тепе-теңсіздіктің бұрынғы болжамдардан әлдеқайда үлкен екенін көрсетті. Бұл эксперименттер бөлшектердің соқтығысуын қамтыды және пайда болған материяның мөлшері антиматерияның мөлшерінен шамамен 1% -ға артық екенін анықтады. Бұл қарама-қайшылықтың себебі әлі белгісіз. Көптеген ғарыштық біріктірілген теориялар бариондық сан симметриясын бұзады, бұл осы қарама-қайшылықты түсіндіруге болады, әдетте өте ауыр X бозондары немесе ауыр Хиггс бозондары арқылы жүзеге асырылатын реакцияларды қамтиды. Бұл оқиғалардың орын алу жылдамдығы негізінен аралық бөлшектердің массасымен анықталады, сондықтан осы реакциялар бүгін көрінетін бариондық санның көп бөлігіне жауапты деп есептегенде, ең жоғары массаны есептеуге болады, одан жоғары жылдамдық бүгінгі материяның болуын түсіндіру үшін тым баяу болады. Бұл бағалаулар материалдың үлкен көлемінде спонтанды протондық ыдыраудың кейде болатынын болжайды, бірақ ол байқалған жоқ. Сондықтан материя мен антиматерия арасындағы тепе-теңсіздік құпия болып қала береді. Бариогенез теориялары фундаменталды бөлшектердің өзара әрекеттесуінің әртүрлі сипаттамаларына негізделген. Екі негізгі теория – электр әлсіз фазалық өту кезінде болатын электр әлсіз бариогенез (Стандартты модель) және ғарыштық бірігу кезеңінде немесе одан кейін болатын GUT бариогенез. Мұндай мүмкін механизмдарды сипаттау үшін кванттық өріс теориясы және статистикалық физика қолданылады. Бариогенезден кейін атом ядроларының пайда бола бастаған алғашқы нуклеосинтез жүреді.

In physical cosmology, baryogenesis (also known as baryosynthesis) is the physical process that is hypothesized to have taken place during the early universe to produce baryonic asymmetry, i. e. the imbalance of matter (baryons) and antimatter (antibaryons) in the observed universe. One of the outstanding problems in modern physics is the predominance of matter over antimatter in the universe. The universe, as a whole, seems to have a nonzero positive baryon number density. Since it is assumed in cosmology that the particles we see were created using the same physics we measure today, it would normally be expected that the overall baryon number should be zero, as matter and antimatter should have been created in equal amounts. A number of theoretical mechanisms are proposed to account for this discrepancy, namely identifying conditions that favour symmetry breaking and the creation of normal matter (as opposed to antimatter). This imbalance has to be exceptionally small, on the order of 1 in every 1630000000 (≈2) particles a small fraction of a second after the Big Bang. After most of the matter and antimatter was annihilated, what remained was all the baryonic matter in the current universe, along with a much greater number of bosons. Experiments reported in 2010 at Fermilab, however, seem to show that this imbalance is much greater than previously assumed. These experiments involved a series of particle collisions and found that the amount of generated matter was approximately 1% larger than the amount of generated antimatter. The reason for this discrepancy is not yet known. Most grand unified theories explicitly break the baryon number symmetry, which would account for this discrepancy, typically invoking reactions mediated by very massive X bosons or massive Higgs bosons The rate at which these events occur is governed largely by the mass of the intermediate or particles, so by assuming these reactions are responsible for the majority of the baryon number seen today, a maximum mass can be calculated above which the rate would be too slow to explain the presence of matter today. These estimates predict that a large volume of material will occasionally exhibit a spontaneous proton decay, which has not been observed. Therefore, the imbalance between matter and antimatter remains a mystery. Baryogenesis theories are based on different descriptions of the interaction between fundamental particles. Two main theories are electroweak baryogenesis (Standard Model), which would occur during the electroweak phase transition, and the GUT baryogenesis, which would occur during or shortly after the grand unification epoch. Quantum field theory and statistical physics are used to describe such possible mechanisms. Baryogenesis is followed by primordial nucleosynthesis, when atomic nuclei began to form.

Өмірбаян

Әлемдегі қарапайым материяның басым бөлігі нейтрондар мен протондардан тұратын атом ядроларында табылады. Бұл нуклондар кварктар деп аталатын кішірек бөлшектерден құралған, ал әрқайсысы үшін 1928 жылы Дирак теңдеуімен антиматериялық әріптес болжамдалған. Содан бері, әр түрлі антикварктар тәжірибе жүзінде расталды. Әлемнің алғашқы сәттерін зерттейтін гипотезалар кварктар мен антикварктардың шамамен тең санынан тұратын құрамды болжайды. Әлем кеңейіп, шамамен 2 температураға дейін салқындағаннан кейін, барион тудыратын өзара әрекеттесулер материя мен антиматерияны әртүрлі жылдамдықпен өндіруі үшін қанағаттандыруы тиіс үш қажетті шарт жиынтығы пайда болды. Бұл шарттар Космикалық микротолқындық фонның және бейтарап каон жүйесіндегі CP симметриясының бұзылуының жақындағы ашылуларынан шабыттанды. Үш қажетті «Сахаров шарты»: Бариондық санның бұзылуы. C симметриясы және CP симметриясының бұзылуы. Термикалық тепе-теңдіктен шығу. Бариондық санның бұзылуы антибариондарға қарағанда бариондардың артық болуын тудыру үшін қажетті шарт болып табылады. Бірақ C симметриясының бұзылуы да қажет, сондықтан бариондардан көп антибариондарды өндіретін өзара әрекеттесулер антибариондардан көп бариондарды өндіретін өзара әрекеттесулермен тепе-тең келмейді. CP симметриясының бұзылуы да осыған ұқсас талап етіледі, әйтпесе сол жақ бариондар мен оң жақ антибариондардың, сондай-ақ сол жақ антибариондар мен оң жақ бариондардың тең саны пайда болар еді. Соңында, өзара әрекеттесулер термикалық тепе-теңдіктен шығуы керек, әйтпесе CPT симметриясы бариондық санды арттыратын және азайтатын процестер арасындағы өтемақыны қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта бариондық санның сақталуын бұзатын бөлшектердің өзара әрекеттесуінің тәжірибелік дәлелі жоқ: бұл барлық байқалатын бөлшектердің реакцияларында реакцияға дейін және кейін бариондық санның тең болатынын көрсетеді. Математикалық тұрғыдан алғанда, бариондық сан кванттық операторының (пертурбативтік) Стандартты модель гамильтонианымен коммутаторы нөлге тең: Дегенмен, Стандартты модель бариондық санның сақталуын тек пертурбативті емес жолмен бұзатыны белгілі: U(1) жаһандық аномалия. Бариогенездегі бариондық бұзылуды ескеру үшін мұндай оқиғалар (протонның ыдырауына дейін) Үлкен Біріктіру Теорияларында (GUT) және суперсимметриялық (SUSY) модельдерде X бозоны сияқты гипотетикалық массивті бозондар арқылы жүруі мүмкін. Екінші шарт – CP симметриясының бұзылуы – 1964 жылы ашылды (ал тікелей CP бұзылуы, яғни ыдырау процесінде CP симметриясының бұзылуы, кейінірек, 1999 жылы ашылды). CPT симметриясына байланысты CP симметриясының бұзылуы уақыт инверсиясы симметриясының, яғни T симметриясының бұзылуын талап етеді. Тепе-теңдіктен тыс ыдырау сценарийінде соңғы шарт бариондық асимметрияны тудыратын реакцияның жылдамдығы ғаламның кеңею жылдамдығынан кем болуы керек екенін көрсетеді. Бұл жағдайда бөлшектер мен олардың сәйкес антибөлшектері жылдам кеңеюге байланысты термикалық тепе-теңдікке жете алмайды, бұл жұптардың жойылуын азайтады.

The majority of ordinary matter in the universe is found in atomic nuclei, which are made of neutrons and protons. These nucleons are made up of smaller particles called quarks, and antimatter equivalents for each are predicted to exist by the Dirac equation in 1928. Since then, each kind of antiquark has been experimentally verified. Hypotheses investigating the first few instants of the universe predict a composition with an almost equal number of quarks and antiquarks. Once the universe expanded and cooled to a critical temperature of approximately 2, a set of three necessary conditions that a baryon generating interaction must satisfy to produce matter and antimatter at different rates. These conditions were inspired by the recent discoveries of the Cosmic microwave background and CP violation in the neutral kaon system. The three necessary "Sakharov conditions" are:
Baryon number violation. C symmetry and CP symmetry violation. Interactions out of thermal equilibrium. Baryon number violation is a necessary condition to produce an excess of baryons over anti baryons. But C symmetry violation is also needed so that the interactions which produce more baryons than anti baryons will not be counterbalanced by interactions which produce more anti baryons than baryons. CP symmetry violation is similarly required because otherwise equal numbers of left handed baryons and right handed anti baryons would be produced, as well as equal numbers of left handed anti baryons and right handed baryons. Finally, the interactions must be out of thermal equilibrium, since otherwise CPT symmetry would assure compensation between processes increasing and decreasing the baryon number. Currently, there is no experimental evidence of particle interactions where the conservation of baryon number is broken perturbatively: this would appear to suggest that all observed particle reactions have equal baryon number before and after. Mathematically, the commutator of the baryon number quantum operator with the (perturbative) Standard Model hamiltonian is zero: However, the Standard Model is known to violate the conservation of baryon number only non perturbatively: a global U(1) anomaly. To account for baryon violation in baryogenesis, such events (including proton decay) can occur in Grand Unification Theories (GUTs) and supersymmetric (SUSY) models via hypothetical massive bosons such as the X boson. The second condition – violation of CP symmetry – was discovered in 1964 (direct CP violation, that is violation of CP symmetry in a decay process, was discovered later, in 1999). Due to CPT symmetry, violation of CP symmetry demands violation of time inversion symmetry, or T symmetry. In the out of equilibrium decay scenario, the last condition states that the rate of a reaction which generates baryon asymmetry must be less than the rate of expansion of the universe. In this situation the particles and their corresponding antiparticles do not achieve thermal equilibrium due to rapid expansion decreasing the occurrence of pair annihilation.

Стандартты модельдегі бариогенез

Стандартты модель бариогенезді қамти алады, бірақ осылайша туған таза бариондардың (және лептондардың) саны қазіргі бариондық асимметрияны есепке алу үшін жеткіліксіз болуы мүмкін. Ғаламдағы барлық байқалған материяны қамтамасыз ету үшін ерте Ғаламда миллиард кварк-антикварк жұбына бір артық кварк қажет. Фазалық өту домендік қабырғасы P симметриясын спонтанды түрде бұзады, CP симметриясын бұзатын өзара әрекеттесулер C симметриясын екі жағынан да бұзады. Кварктар домендік қабырғаның бұзылған фазалық жағында жинақталады, ал антикварктар оның бұзылмаған фазалық жағында жинақталады. Осылайша, кварктардың амплитудаларының белгілі бір қосындылары антикварктармен салыстырғанда басқаша абсолютті мәнге ие. Барлығы, кварктар мен антикварктардың домендік қабырға арқылы әртүрлі шағылысу және өткізілу ықтималдығы болуы мүмкін, және антикварктармен салыстырғанда бұзылмаған фазадан келетін кварктар көбірек өткізіледі. Осылайша, домендік қабырға арқылы таза бариондық ағын пайда болады. Сфалерондық өтулер, олар бұзылмаған фазада көптеп кездеседі, бұзылмаған фазаның таза антибариондық құрамын антибариондар лептондарға айналғанда жояды. Алайда, сфалерондық өтулер бұзылған фазада жеткіліксіз мөлшерде болады, сондықтан ол жердегі бариондардың артық бөлігін жоймайды. Барлығы, бариондардың (сондай-ақ лептондардың) таза тууы орын алады. Бұл сценарийде B бұзуға бұзылмаған электрәлсіз өзара әрекеттесулер (яғни сфалерон) жауапты, бұзылған электрәлсіз Лагранждық CP бұзуға жауапты, ал домендік қабырға жылулық тепе-теңдіктің болмауына және P бұзуға жауапты; CP бұзумен бірге ол әр жағында C бұзуын да тудырады.