Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Көрінетін ғаламдағы материя мен антиматерияның тепе-теңдігінің бұзылуы
Imbalance of matter and antimatter in the observable universe
Физикалық космологияда бариондық асимметрия мәселесі, сондай-ақ материя асимметриясы мәселесі немесе материя-антиматерия асимметриясы мәселесі деп те аталады, – бұл бариондық материяның (күнделікті өмірде кездесетін материяның түрі) және антибариондық материяның көрінетін ғаламдағы байқалған тепе-теңдігінің бұзылуы. Бөлшектер физикасының стандартты моделі де, жалпы салыстырмалылық теориясы да мұның неге осылай болуы керектігін түсіндірмейді, және ғаламның барлық сақталатын зарядтары бойынша бейтарап болуы табиғи болжам. Ұлы жарылыс материя мен антиматерияның тең мөлшерін өндіруі керек еді. Бұл осылай болмағандықтан, кейбір физикалық заңдар материя және/немесе антиматерия үшін әртүрлі әрекет еткен немесе мүлдем болмаған болуы мүмкін. Бариогенезді түсіндіруге бағытталған материя мен антиматерияның тепе-теңдігінің бұзылуын түсіндіру үшін бірнеше бәсекелес гипотезалар бар. Алайда, "физикадағы ең үлкен сырлардың бірі" деп сипатталған бұл құбылысты түсіндіру үшін әлі консенсусқа келген теория жоқ. Материя мен антиматерияны әртүрлі жылдамдықпен өндіру үшін барион тудыратын өзара әрекеттесу орындауы тиіс үш қажетті шарттар жиынтығы бар. Бұл шарттар Космикалық микротолқындық фонның және бейтарап каон жүйесіндегі CP симметриясының бұзылуының жақындағы ашылуларынан туындады. Үш қажетті "Сахаров шарты" бар:
Бариондық санның сақталмауы. C симметриясы және CP симметриясының сақталмауы. Термиялық тепе-теңдіктен шығу.
In physical cosmology, the baryon asymmetry problem, also known as the matter asymmetry problem or the matter–antimatter asymmetry problem, is the observed imbalance in baryonic matter (the type of matter experienced in everyday life) and antibaryonic matter in the observable universe. Neither the standard model of particle physics nor the theory of general relativity provides a known explanation for why this should be so, and it is a natural assumption that the universe is neutral with all conserved charges. The Big Bang should have produced equal amounts of matter and antimatter. Since this does not seem to have been the case, it is likely some physical laws must have acted differently or did not exist for matter and/or antimatter. Several competing hypotheses exist to explain the imbalance of matter and antimatter that resulted in baryogenesis. However, there is as of yet no consensus theory to explain the phenomenon, which has been described as "one of the great mysteries in physics". 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.
Бариондық санның бұзылуы
Бариондық санның бұзылуы антибариондарға қарағанда бариондардың артық болуын тудыру үшін қажетті шарт. Бірақ C симметриясының бұзылуы да керек, сонда ғана бариондарды антибариондардан көп өндіретін әрекеттесулер, антибариондарды бариондардан көп өндіретін әрекеттесулермен өзара теңеспейді. CP симметриясының бұзылуы да солай қажет, әйтпесе сол жақ бариондар мен оң жақ антибариондардың, сондай-ақ сол жақ антибариондар мен оң жақ бариондардың саны тең болар еді. Соңында, әрекеттесулер жылулық тепе-теңдіктен шығуы керек, әйтпесе CPT симметриясы бариондық санды арттыратын және азайтатын процестердің арасындағы өтемақыны қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта бариондық санның сақталуы бұзылатын бөлшектердің әрекеттесуіне ешқандай эксперименттік дәлел жоқ: бұл байқалатын барлық бөлшек реакцияларында бариондық санның бастапқы және соңғы күйде бірдей болатынын көрсетеді. Математикалық тұрғыдан алғанда, бариондық сан кванттық операторының (пертурбативтік) Стандартты модель гамильтониясымен коммутаторы нөлге тең. Алайда, Стандартты модель бариондық санның сақталуын тек пертурбативтік емес, U(1) ғаламдық аномалия арқылы бұзатыны белгілі. Бариогенезде бариондық бұзылуды түсіндіру үшін мұндай оқиғалар (протонның ыдырауына дейін) Үлкен Біріктіру Теорияларында (GUT) және суперсимметриялық (SUSY) модельдерде X бозоны сияқты гипотетикалық массивті бозондар арқылы жүруі мүмкін.
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.
CP-симметриясының бұзылуы
Бариондық асимметрияны тудырудың екінші шарты – зарядтық паритет симметриясын бұзу – процесс антиматериялық әріптесіне қарағанда басқа жылдамдықпен жүзеге асу мүмкіндігі. Стандартты модельде CP бұзуы әлсіз өзара әрекеттесудің кварк араласу матрицасындағы кешенді фаза ретінде көрінеді. Нейтрино араласу матрицасында нөлдік емес CP бұзатын фаза болуы мүмкін, бірақ қазіргі уақытта ол өлшенбеген. Физиканың негізгі принциптерінің бұзылған алғашқысы – Чьен Шиунг Ву эксперименті арқылы теңдік симметриясы. Бұл 1964 жылы бейтарап каондармен Фитч-Кронин экспериментінде CP бұзуының расталуына әкелді, нәтижесінде 1980 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығы табылды (CP симметриясының ыдырау процесінде бұзылуы, яғни тікелей CP бұзуы, кейін 1999 жылы ашылды). CPT симметриясына сәйкес, CP симметриясының бұзылуы уақыт инверсиясы симметриясының, яғни T симметриясының бұзылуын талап етеді. Стандартты модельде CP бұзуына мүмкіндік болғанымен, бариондық санның бұзылу шектері ескерілгенде, ғаламның байқалған бариондық асимметриясын (BAU) түсіндіру үшін жеткіліксіз, демек Стандартты модельден тыс көздер қажет. Үлкен адрондық коллайдерде (LHC) LHCb ынтымақтастығы LHC жұмысының алғашқы үш жылында (2010 жылдың наурызынан бастап) CP бұзуының мүмкін жаңа көзін тапты. Эксперимент төменгі лямбда (Λb0) және оның антибөлшегінің ыдырауын талдап, ыдырау өнімдерінің таралуын салыстырды. Деректер CP-сезімтал шамалардың 20%-ға дейін асимметриясын көрсетті, бұл CP симметриясының бұзылуын білдіреді. Бұл талдау LHC-нің келесі сеанстарынан алынған қосымша деректермен расталуы керек. Қосымша CP бұзуын іздеудің бір әдісі – элементар және құрама бөлшектердің электрлік дипольдық моменттерін іздеу. Тепе-теңдік күйінде электрлік дипольдық моменттердің болуы T симметриясының бұзылуын талап етеді. Сондықтан нөлдік емес электрлік дипольдық моментті табу өлшенген бөлшектің вакуумдық түзетулеріндегі T бұзатын өзара әрекеттесулердің бар екенін көрсетеді. Қазірге дейін барлық өлшемдер нөлге сәйкес келеді, бұл әлі белгісіз жаңа CP бұзатын өзара әрекеттесулердің қасиеттеріне қатаң шектеулер қояды.
The second condition for generating baryon asymmetry—violation of charge parity symmetry—is that a process is able to happen at a different rate to its antimatter counterpart. In the Standard Model, CP violation appears as a complex phase in the quark mixing matrix of the weak interaction. There may also be a non zero CP violating phase in the neutrino mixing matrix, but this is currently unmeasured. The first in a series of basic physics principles to be violated was parity through Chien Shiung Wu's experiment. This led to CP violation being verified in the 1964 Fitch–Cronin experiment with neutral kaons, which resulted in the 1980 Nobel Prize in physics (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. Despite the allowance for CP violation in the Standard Model, it is insufficient to account for the observed baryon asymmetry of the universe (BAU) given the limits on baryon number violation, meaning that beyond Standard Model sources are needed. A possible new source of CP violation was found at the Large Hadron Collider (LHC) by the LHCb collaboration during the first three years of LHC operations (beginning March 2010). The experiment analyzed the decays of two particles, the bottom Lambda (Λb0) and its antiparticle, and compared the distributions of decay products. The data showed an asymmetry of up to 20% of CP violation sensitive quantities, implying a breaking of CP symmetry. This analysis will need to be confirmed by more data from subsequent runs of the LHC. One method to search for additional CP violation is the search for electric dipole moments of fundamental or composed particles. The existence of electric dipole moments in equilibrium states requires violation of T symmetry. That way finding a non zero electric dipole moment would imply the existence of T violating interactions in the vacuum corrections to the measured particle. So far all measurements are consistent with zero putting strong bounds on the properties of the yet unknown new CP violating interactions.
Термиялық тепе-теңдіктен тыс өзара әсерлесулер
Тепе-теңдіктен тыс ыдырау сценариінде соңғы шарт, бариондық асимметрияны тудыратын реакцияның жылдамдығы, ғаламның кеңею жылдамдығынан кем болуы тиіс. Осы жағдайда бөлшектер мен олардың антибөлшектері, кеңеюдің жылдамдығына байланысты, жылулық тепе-теңдікке жете алмайды, нәтижесінде жұптардың жойылуы азаяды.
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.
Антиматерия басым болатын ғалам аймақтары
Бариондық асимметрияның тағы бір мүмкін түсіндірмесі – материя мен антиматерияның ғаламның әртүрлі, өте алыс орналасқан аймақтарына толық бөлінуі. Бастапқыда антиматериялық галактикалардың пайда болуы бариондық асимметрияны түсіндіруге болады деп есептелді, себебі алыстан қарағанда антиматерия атомдарын материя атомдарынан ажырату мүмкін емес; екеуі де жарық (фотон) бірдей шығарады. Дегенмен, материя мен антиматерия аймақтарының шекарасында, оның қашықтығына және материя мен антиматерияның тығыздығына байланысты, аннигиляция (және одан кейін гамма-сәулеленудің пайда болуы) байқалуы мүмкін. Егер мұндай шекаралар болса, олар терең галактикааралық кеңістікте жатуы мүмкін. Галактикааралық кеңістіктегі материяның тығыздығы шамамен бір текше метрге бір атом деп анықталған. Бұл шекараға жақынғы тығыздық деп есептесек, шекаралық өзара әрекеттесу аймағының гамма-сәулеленуін есептеуге болады. Мұндай аймақтар әзірге табылмады, бірақ 30 жылдық зерттеулер олардың болу мүмкіндігін шектеді. Осындай талдаулардың нәтижесінде, байқалатын ғаламның кез келген аймағында антиматерия басымдығының болуы екіталай деп саналады.
Another possible explanation of the apparent baryon asymmetry is that matter and antimatter are essentially separated into different, widely distant regions of the universe. The formation of antimatter galaxies was originally thought to explain the baryon asymmetry, as from a distance, antimatter atoms are indistinguishable from matter atoms; both produce light (photons) in the same way. Along the boundary between matter and antimatter regions, however, annihilation (and the subsequent production of gamma radiation) would be detectable, depending on its distance and the density of matter and antimatter. Such boundaries, if they exist, would likely lie in deep intergalactic space. The density of matter in intergalactic space is reasonably well established at about one atom per cubic meter. Assuming this is a typical density near a boundary, the gamma ray luminosity of the boundary interaction zone can be calculated. No such zones have been detected, but 30 years of research have placed bounds on how far they might be. On the basis of such analyses, it is now deemed unlikely that any region within the observable universe is dominated by antimatter.
Айналы антиадамдық
Ғаламның қазіргі күйі CPT симметриясын бұзбайды, себебі Ұлы Жарлыс классикалық және кванттық механикалық тұрғыдан қарағанда, ғалам мен антиғалам жұбынан тұратын екі жақты құбылыс ретінде қарастырылуы мүмкін. Бұл, осы ғалам антиғаламның заряды (C), паритеті (P) және уақыты (T) бойынша бейнесі екенін білдіреді. Бұл жұп Ұлы Жарлыс кезеңінен тікелей ыстық, сәулеленуге толы дәуірге емес, пайда болды. Антиғалам Ұлы Жарлыстан уақыт бойынша кері қарай өтеді, осы процесте үлкейе түседі және антиматериядан тұрады. Оның кеңістіктік қасиеттері біздің ғаламға қарағанда кері болады, бұл вакуумде электрон-позитрон жұптарының пайда болуына ұқсас жағдай. Канададағы Теориялық физика институтының физиктері ұсынған бұл модель, космостық микротолқындық фондағы (КМФ) температураның ауытқулары Ұлы Жарлыс сингулярлығының жанындағы кеңістік-уақыттың кванттық механикалық сипатына байланысты деген пікірді білдіреді. Яғни, біздің ғаламның болашақтағы бір нүктесі мен антиғаламның шалқары алыс өткені тұрақты классикалық нүктелерді анықтайды, ал олардың арасында кванттық негіздегі барлық мүмкін өзгерістер болады. Кванттық белгісіздік ғалам мен антиғаламның бір-бірінің толық айнасы болмауына себеп болады. Бұл модель инфляция сценарийіне қатысты кейбір байқауларды, мысалы, ғаламның ірі масштабтағы біртектілігін түсіндіруді қайта жасай алатынын көрсеткен жоқ. Дегенмен, ол қараңғы материяға қарапайым және түсінікті түсіндірме береді. Мұндай ғалам-антиғалам жұбы өте ауыр нейтринолардың, сондай-ақ стерильді нейтринолардың көп мөлшерін тудырады. Бұл нейтринолар жақында байқалған жоғары энергиялы ғарыш сәулелерінің көзі болуы мүмкін.
The state of the universe, as it is, does not violate the CPT symmetry, because the Big Bang could be considered as a double sided event, both classically and quantum mechanically, consisting of a universe antiuniverse pair. This means that this universe is the charge (C), parity (P) and time (T) image of the anti universe. This pair emerged from the Big Bang epochs not directly into a hot, radiation dominated era. The antiuniverse would flow back in time from the Big Bang, becoming bigger as it does so, and would be also dominated by antimatter. Its spatial properties are inverted if compared to those in our universe, a situation analogous to creating electron–positron pairs in a vacuum. This model, devised by physicists from the Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada, proposes that temperature fluctuations in the cosmic microwave background (CMB) are due to the quantum mechanical nature of space time near the Big Bang singularity. This means that a point in the future of our universe and a point in the distant past of the anti universe would provide fixed classical points, while all possible quantum based permutations would exist in between. Quantum uncertainty causes the universe and antiuniverse to not be exact mirror images of each other. This model has not shown if it can reproduce certain observations regarding the inflation scenario, such as explaining the uniformity of the cosmos on large scales. However, it provides a natural and straightforward explanation for dark matter. Such a universe antiuniverse pair would produce large numbers of superheavy neutrinos, also known as sterile neutrinos. These neutrinos might also be the source of recently observed bursts of high energy cosmic rays.