Введение
В физической космологии, бариогенез (также известный как бариосинтез) — это гипотетический физический процесс, который произошел в ранней Вселенной для создания барионной асимметрии, то есть дисбаланса между материей (барионами) и антиматерией (антибарионами) в наблюдаемой Вселенной. Одной из фундаментальных проблем современной физики является преобладание материи над антиматерией во Вселенной. Вселенная в целом, по-видимому, обладает ненулевой положительной плотностью барионного числа. Поскольку в космологии принято считать, что частицы, которые мы наблюдаем, были созданы с использованием тех же физических законов, что и сегодня, обычно ожидается, что суммарное барионное число должно быть равно нулю, поскольку материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах. Для объяснения этого несоответствия предложено несколько теоретических механизмов, определяющих условия, благоприятствующие нарушению симметрии и созданию обычной материи (в отличие от антиматерии). Этот дисбаланс должен быть крайне мал, порядка 1 на 1 630 000 000 (≈2) частиц, через небольшую долю секунды после Большого взрыва. После аннигиляции большей части материи и антиматерии, все, что осталось, представляло собой всю барионную материю в современной Вселенной, вместе с гораздо большим количеством бозонов. Однако эксперименты, проведенные в 2010 году в Фермилабе, показали, что этот дисбаланс значительно больше, чем предполагалось ранее. Эти эксперименты включали серию столкновений частиц, в результате которых количество образовавшейся материи оказалось примерно на 1% больше, чем количество образовавшейся антиматерии. Причина этого несоответствия пока неизвестна. Большинство теорий Великого объединения явно нарушают симметрию барионного числа, что могло бы объяснить это несоответствие, обычно посредством реакций, опосредованных очень массивными X-бозонами или массивными бозонами Хиггса. Скорость этих реакций в значительной степени определяется массой промежуточных частиц, поэтому, предполагая, что эти реакции ответственны за большую часть наблюдаемого сегодня барионного числа, можно рассчитать максимальную массу, превышение которой привело бы к слишком медленной скорости для объяснения существования материи в настоящее время. Эти оценки предсказывают, что большой объем вещества время от времени может демонстрировать спонтанный распад протона, который до сих пор не наблюдался. Таким образом, дисбаланс между материей и антиматерией остается загадкой. Теории бариогенеза основаны на различных описаниях взаимодействия между фундаментальными частицами. Две основные теории — электрослабый бариогенез (в рамках Стандартной модели), который мог произойти во время электрослабого фазового перехода, и GUT-бариогенез, который мог произойти во время или вскоре после эпохи Великого объединения. Квантовая теория поля и статистическая физика используются для описания таких возможных механизмов. За бариогенезом следует первичный нуклеосинтез, когда начали формироваться атомные ядра.
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.
Предыстория
Большая часть обычной материи во Вселенной содержится в атомных ядрах, которые состоят из нейтронов и протонов. Эти нуклоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, и для каждого из них, согласно уравнению Дирака 1928 года, предсказывается существование античастиц. С тех пор каждый тип антикварка был экспериментально подтвержден. Гипотезы, исследующие первые моменты существования Вселенной, предсказывают состав с почти равным количеством кварков и антикварков. Когда Вселенная расширилась и охладилась до критической температуры около 2, возникла необходимость в трех условиях, которым должно удовлетворять взаимодействие, порождающее барионы, чтобы производить материю и антиматерию с разной скоростью. Эти условия были вдохновлены недавними открытиями космического микроволнового фона и нарушения CP-инвариантности в нейтральной системе каонов. Тремя необходимыми «условиями Сахарова» являются: нарушение барионного числа; нарушение C-инвариантности и CP-инвариантности; взаимодействие вне состояния теплового равновесия. Нарушение барионного числа является необходимым условием для создания избытка барионов над антибарионами. Однако нарушение C-инвариантности также необходимо, чтобы взаимодействия, производящие больше барионов, чем антибарионов, не компенсировались взаимодействиями, производящими больше антибарионов, чем барионов. Нарушение CP-инвариантности требуется аналогичным образом, поскольку в противном случае было бы произведено равное количество левых барионов и правых антибарионов, а также равное количество левых антибарионов и правых барионов. Наконец, взаимодействия должны происходить вне состояния теплового равновесия, поскольку в противном случае симметрия CPT обеспечила бы компенсацию между процессами, увеличивающими и уменьшающими барионное число. В настоящее время нет экспериментальных данных о взаимодействиях частиц, в которых сохранение барионного числа нарушалось бы в рамках возмущения: это, по-видимому, указывает на то, что во всех наблюдаемых реакциях частиц барионное число до и после реакции одинаково. Математически коммутатор квантового оператора барионного числа с (пертурбативным) гамильтонианом Стандартной модели равен нулю. Однако известно, что Стандартная модель нарушает сохранение барионного числа только непертурбативно: это глобальная U(1)-аномалия. Для объяснения нарушения барионного числа в бариогенезе такие события (включая распад протона) могут происходить в теориях Великого объединения (GUT) и суперсимметричных (SUSY) моделях посредством гипотетических массивных бозонов, таких как X-бозон. Второе условие – нарушение CP-инвариантности – было обнаружено в 1964 году (прямое нарушение CP-инвариантности, то есть нарушение CP-инвариантности в процессе распада, было обнаружено позже, в 1999 году). В силу симметрии CPT нарушение CP-инвариантности требует нарушения симметрии временной инверсии, или T-инвариантности. В сценарии распада вне равновесия последнее условие гласит, что скорость реакции, генерирующей барионную асимметрию, должна быть меньше скорости расширения Вселенной. В этой ситуации частицы и их соответствующие античастицы не достигают теплового равновесия из-за быстрого расширения, что уменьшает вероятность аннигиляции пар.
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.
Бариогенез в рамках Стандартной модели
Стандартная модель может включать бариогенез, хотя количество созданных таким образом чистых барионов (и лептонов) может быть недостаточно для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии. Для создания всей наблюдаемой материи во Вселенной требуется избыток в один кварк на миллиард пар кварк-антикварков в ранней Вселенной. Фазовая граница перехода нарушает P-симметрию спонтанно, позволяя взаимодействиям, нарушающим CP-симметрию, нарушать C-симметрию с обеих сторон. Кварки склонны накапливаться на стороне сломанной фазы границы, в то время как антикварки – на стороне несломанной фазы. Таким образом, определенные суммы амплитуд для кварков имеют различные абсолютные значения по сравнению с антикварками. В целом, кварки и антикварки могут иметь разные вероятности отражения и прохождения через фазовую границу, и оказывается, что больше кварков из несломанной фазы проходят сквозь неё, чем антикварков. Таким образом, через фазовую границу наблюдается чистый барионный поток. Благодаря сфалеронным переходам, которые многочисленны в несломанной фазе, чистое антибарионное содержание несломанной фазы исчезает, поскольку антибарионы преобразуются в лептоны. Однако, в сломанной фазе сфалероны достаточно редки, чтобы не устранить избыток барионов. В итоге происходит чистое создание барионов (а также лептонов). В этом сценарии непертурбативные электрослабые взаимодействия (то есть сфалерон) ответственны за нарушение B-симметрии, пертурбативный электрослабый лагранжиан – за нарушение CP-симметрии, а фазовая граница – за отсутствие теплового равновесия и нарушение P-симметрии; вместе с нарушением CP-симметрии она также создает нарушение C-симметрии с каждой своей стороны.