Неравновесие материи и антиматерии во Вселенной.

Введение

Неравновесие материи и антиматерии в наблюдаемой Вселенной

В физической космологии проблема барионной асимметрии, также известная как проблема асимметрии материи или проблема асимметрии материи и антиматерии, — это наблюдаемый дисбаланс между барионной материей (тип материи, с которой мы сталкиваемся в повседневной жизни) и антибарионной материей в наблюдаемой Вселенной. Ни стандартная модель физики частиц, ни теория общей относительности не предоставляют известного объяснения тому, почему это происходит, и естественно предположить, что Вселенная нейтральна по отношению ко всем сохраняющимся зарядам. Большой взрыв должен был произвести равное количество материи и антиматерии. Поскольку это, по-видимому, не так, вероятно, некоторые физические законы действовали иначе или не существовали для материи и/или антиматерии. Существует несколько конкурирующих гипотез, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии, который привел к бариогенезу. Однако на данный момент нет единой теории, объясняющей это явление, которое описывают как "одну из величайших загадок физики". Это набор из трех необходимых условий, 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. Три необходимых "условия Сахарова" таковы:
Нарушение барионного числа. Нарушение C-симметрии и CP-симметрии. Взаимодействия вне состояния теплового равновесия.

Нарушение барионного числа

Нарушение барионного числа является необходимым условием для создания преобладания барионов над антибарионами. Однако нарушение C-симметрии также необходимо, чтобы взаимодействия, производящие больше барионов, чем антибарионов, не компенсировались взаимодействиями, производящими больше антибарионов, чем барионов. Нарушение CP-симметрии требуется аналогичным образом, поскольку в противном случае производились бы равные количества левых барионов и правых антибарионов, а также равные количества левых антибарионов и правых барионов. Наконец, взаимодействия должны происходить вне теплового равновесия, иначе CPT-симметрия обеспечила бы компенсацию между процессами, увеличивающими и уменьшающими барионное число. В настоящее время нет экспериментальных свидетельств взаимодействия частиц, при котором сохранение барионного числа нарушалось бы возмущениями: 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, посредством глобальной U(1)-аномалии. Для объяснения нарушения барионного числа в бариогенезе такие события (включая распад протона) могут происходить в теориях Великого Объединения (GUT) и суперсимметричных (SUSY) моделях через гипотетические массивные бозоны, такие как X-бозон.

Нарушение CP-симметрии

Второе условие для генерации барионной асимметрии – нарушение симметрии зарядового паритета – заключается в том, что процесс может происходить с другой скоростью, чем его античастичный аналог. В Стандартной модели нарушение CP проявляется как комплексная фаза в матрице смешивания кварков слабого взаимодействия. В матрице смешивания нейтрино также может существовать отличная от нуля фаза, нарушающая CP, но в настоящее время она не измерена. Первым из ряда фундаментальных физических принципов, который был нарушен, был паритет в эксперименте Чиен Шиунг Ву. Это привело к тому, что нарушение CP было подтверждено в эксперименте Fitch–Cronin 1964 года с нейтральными каонами, что было отмечено Нобелевской премией по физике в 1980 году (прямое нарушение CP, то есть нарушение CP-симметрии в процессе распада, было обнаружено позднее, в 1999 году). В силу симметрии CPT нарушение CP-симметрии подразумевает нарушение симметрии временной инверсии, или T-симметрии. Несмотря на возможность нарушения CP в рамках Стандартной модели, оно недостаточно для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной (BAU), учитывая ограничения на нарушение барионного числа, что означает необходимость источников, выходящих за пределы Стандартной модели. Возможный новый источник нарушения CP был обнаружен на Большом адронном коллайдере (LHC) коллаборацией LHCb в течение первых трех лет работы LHC (начиная с марта 2010 года). В эксперименте анализировались распады двух частиц – нижней Ламбды (Λb0) и ее античастицы, и сравнивались распределения продуктов распада. Данные показали асимметрию до 20% в величинах, чувствительных к нарушению CP, что указывает на нарушение CP-симметрии. Этот анализ потребует подтверждения дополнительными данными, полученными в ходе последующих запусков БАК. Один из методов поиска дополнительного нарушения CP – это поиск электрических дипольных моментов фундаментальных или составных частиц. Существование электрических дипольных моментов в состояниях равновесия требует нарушения T-симметрии. Таким образом, обнаружение ненулевого электрического дипольного момента подразумевало бы существование взаимодействий, нарушающих T-симметрию, в вакуумных поправках к измеренной частице. На данный момент все измерения согласуются с нулем, что накладывает жесткие ограничения на свойства пока неизвестных новых взаимодействий, нарушающих CP.

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.

Взаимодействия вне теплового равновесия

В сценарии распада вне равновесия последнее условие заключается в том, что скорость реакции, генерирующей барионную асимметрию, должна быть меньше скорости расширения Вселенной. В этой ситуации частицы и их соответствующие античастицы не успевают достичь теплового равновесия из-за быстрого расширения, что снижает вероятность аннигиляции пар.

Области Вселенной , где доминирует антиматерия

Другое возможное объяснение кажущейся барионной асимметрии состоит в том, что материя и антиматерия по существу разделены на различные, сильно удаленные друг от друга области Вселенной. Изначально предполагалось, что образование галактик антиматерии может объяснить барионную асимметрию, поскольку с большого расстояния атомы антиматерии неотличимы от атомов материи; оба производят свет (фотоны) одинаковым образом. Однако вдоль границы между областями материи и антиматерии происходила бы аннигиляция (и последующее образование гамма-излучения), которую можно было бы обнаружить, в зависимости от расстояния до нее и плотности материи и антиматерии. Если такие границы существуют, то они, вероятно, находятся в глубоком межгалактическом пространстве. Плотность материи в межгалактическом пространстве достаточно хорошо определена и составляет примерно один атом на кубический метр. Если предположить, что это типичная плотность вблизи границы, можно рассчитать светимость гамма-лучей в зоне взаимодействия на границе. Такие зоны не были обнаружены, но 30 лет исследований позволили установить ограничения на максимальное расстояние, на котором они могли бы находиться. На основании этих анализов теперь считается маловероятным, что какая-либо область в наблюдаемой Вселенной доминирует антиматерией.

Зеркальная анти-вселенная

Состояние Вселенной, в том виде, в котором мы её наблюдаем, не нарушает симметрию CPT, поскольку Большой взрыв можно рассматривать как двустороннее событие, как в классическом, так и в квантово-механическом смысле, состоящее из пары «вселенная-антивселенная». Это означает, что наша Вселенная является C (зарядовым), P (паритетным) и T (временным) отражением анти-Вселенной. Эта пара возникла в эпоху Большого взрыва, а не сразу перешла в горячую, радиационно-доминирующую эпоху. Анти-Вселенная развивалась бы в обратном направлении во времени от Большого взрыва, при этом расширяясь, и была бы доминирующей средой для антиматерии. Её пространственные свойства инвертированы по сравнению с нашей Вселенной, что аналогично созданию электронно-позитронных пар в вакууме. Эта модель, разработанная физиками из Института теоретической физики в Канаде, предполагает, что флуктуации температуры в космическом микроволновом фоне (CMB) обусловлены квантово-механической природой пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва. Это означает, что точка в будущем нашей Вселенной и точка в далёком прошлом анти-Вселенной представляли бы собой фиксированные классические точки, а между ними существовали бы все возможные квантовые перестановки. Квантовая неопределённость приводит к тому, что Вселенная и анти-Вселенная не являются точными зеркальными отражениями друг друга. Пока эта модель не продемонстрировала способность воспроизводить некоторые наблюдения, касающиеся сценария инфляции, например, объяснение однородности космоса в больших масштабах. Однако она предлагает естественное и простое объяснение тёмной материи. Такая пара «вселенная-антивселенная» должна была бы породить большое количество сверхтяжёлых нейтрино, также известных как стерильные нейтрино. Эти нейтрино также могут быть источником недавно зарегистрированных всплесков высокоэнергетических космических лучей.