БАРИОННАЯ АСИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ

БАРИОННАЯ АСИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ

- экстраполяция на Вселенную в целом наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом в нашем локальном скоплении галактик. Заключение об отсутствии сопоставимого с веществом кол-ва антивещества (в скоплении галактик доля антивещества составляет <10^-4) основано на эксперим. поисках аннигиляц. квантов. Количеств. мерой асимметрии Вселенной служит величина

где - концентрации барионов, антибарионов и реликтовых фотонов. Концентрация реликтовых фотонов известна достаточно хорошо - они имеют нлан-ковский спектр с темп-рой T~ ЗК, что соответствует =500 см ^-3. Плотность барионного заряда известна гораздо хуже: ограничения на параметр замедления расширения Вселенной из космологич. плотности вещества дают n<3*10^-6 см ^-3; снизу п ограничено массой видимого вещества галактик: n>3*10^-8 см ^-3. T о., = 10^-8-10^-10. При адиабатич. расширении Вселенной величина слабо зависит от времени. Так, с момента t=10^-6 с, что соответствует темп-ре Вселенной T~1 ГэВ (см. Горячей Вселенной теория), к настоящему времени она уменьшилась приблизительно в 5 раз из-за подогрева фотонного газа при аннигиляции тяжёлых частиц (изменения за счёт возможных процессов с несохранением барионного числа В не происходит, поскольку их скорость при 1 ГэВ пренебрежимо мала). Физ. смысл величины состоит в том, что при 10^-6 с она совпадает по порядку величины с относит. избытком барионов над антибарионами, поскольку при T~1 ГэВ кол-во нуклон-антинуклонных (кварк-антикварковых) пар и фотонов совпадает (с точностью до числа степеней свободы). T. о., при t~10^-6 с на 10⁸- 10¹⁰ барион-антибарионных пар приходился один избыточный барион.

Величина является фундам. характеристикой Вселенной. Объяснение происхождения Б. а. В. и величины - одна из ключевых проблем совр. космологии и физики элементарных частиц. Конечно, можно стать на точку зрения, что Вселенная с самого начала была глобально асимметричной, а величину задать как начальное условие. Такое "объяснение" ничему не противоречит, однако оно представляется неудовлетворительным.

Наиб. привлекательным является такое объяснение происхождения Б. а. В., в к-ром принимается, что Вселенная сначала симметрична по В, а затем на нек-ром этапе возникает асимметрия в наблюдаемой части Вселенной. Если закон сохранения барионного числа в микропроцессах является точным, то для этого необходима либо сепарация вещества и антивещества в макро-скопич. масштабах (что считается трудно осуществимым), либо "погребение" антибарионов в чёрные дыры, к-рые при условии нарушения СP-инвариантности могут разделять вещество и антивещество. Последний подход рассматривался; однако для количеств. оценок он требует дополнит. гипотез о существовании тяжёлых частиц, распадающихся с сильным нарушением СР-инвариантности.

Наиб. естественным с точки зрения физики частиц представляется подход, при к-ром барионное число не сохраняется. Общие условия возникновения Б. а. В. при этом таковы. Взаимодействия, не сохраняющие В, должны нарушать зарядовую симметрию С (см. Зарядовое сопряжение), поскольку при сохранении С скорости прямых и обратных процессов с несохранением В одинаковы. Аналогично должна нарушаться CP- инвариантность. Наконец, эти процессы В -нарушающего взаимодействия не должны находиться в термодинамич. равновесии, поскольку тогда требование сохранения симметрии CPT (см. Теорема CPT )обеспечивает нейтральность системы по всем несохраняющимся зарядам, в данном случае по В, т. е. в термодинамич. равновесии B = 0. Синтез моделей великого объединения и теории горячей Вселенной обеспечивает естеств. выполнение всех условий образования Б. а. В., поскольку модели великого объединения содержат С- и CP- несохраняющие взаимодействия, нарушающие В, а Вселенная при своём расширении и охлаждении проходит стадию, когда эти взаимодействия выходят из равновесия.

Предполагаемый механизм возникновения Б. а. В. таков. Согласно моделям великого объединения, в природе существуют лептокварки (X)- частицы, переносящие взаимодействия с несохранением В. Их масса зависит от модели: векторные лептокварки обычно имеют массу порядка M_X~10¹⁴-10¹⁸ ГэВ, а скалярные ~10¹⁰-10¹⁵ ГэВ. Вследствие С - и СР-нарушения, а также несохранения В при распаде лептокварков чаще образуются кварки (q) и лептоны (l), чем антикварки и антилептоны . Зарядово-симметричная часть вещества плазмы в последующей эволюции Вселенной аннигилирует в конце концов в фотоны, нейтрино и антинейтрино, тогда как асимметричная часть остаётся, давая начало наблюдаемому миру галактик, звёзд и т. п. Величина возникающей т. о. асимметрии определяется как параметрами модели великого объединения, так и законом эволюции Вселенной. Так, предположим, что существует один лептокварк X, к-рый может распадаться либо на два антикварка, либо на кварк и лептон с парциальными ширинами соответственно Г ₁ и Г ₂. Тогда барионный заряд B_X, образующийся при распаде X, равен :

( -полная ширина распада). Для антилептокварка X, распадающегося по схеме: или

с ширинами и ,.

В силу CPТ -теоремы , однако

из-за несохранения С и . Поэтому микроскопич. асимметрия

Макроскопич. асимметрия получается при этом порядка

где N - полное число степеней свободы всех частиц (оно определяет увеличение числа фотонов за счёт аннигиляции остальных частиц), S - макроскопич. фактор подавления, учитывающий влияние симметричной плазмы на распады лептокварков. В рассмотренном примере

где , (=1,2*l0¹⁹ ГэВ - планковская масса). При распады лептокварков являются неравновесными и поэтому весь избыток барионного заряда доживает до совр. эпохи. Если же , то частичное термодинамич. равновесие по процессам с несохранением В приводит к уменьшению Б. а. В. При определ. выборе параметров модели можно прийти к такой ситуации, когда Б. а. В. практически не зависит от нач. условий: даже если в сингулярности был барионный избыток, равновесный по взаимодействиям с несохранением В период "стирает" нач. значение В, при выходе же из этого периода Вселенная приобретает ВK0 за счёт микропроцессов. Получаемая при этом величина при естеств. выборе параметров составляет

Большие неопределённости в предсказании в рамках моделей великого объединения связаны с возможностью существования разл. механизмов нарушения СР-инвариантности в этих моделях (напр., при спонтанном нарушении СР-симметрии могут образовываться макроскопические домены вещества и антивещества) и с недостаточным знанием законов эволюции Вселенной на ранних этапах её расширения (возможная неоднородность и анизотропность, влияние фазовых переходов с изменением группы симметрии великого объединения и т. д.). Трудно оценить также вклад в испарения первичных чёрных дыр из-за незнания их спектра и концентрации на ранних этапах расширения Вселенной. Вместе с тем близость оценки к наблюдат. данным приводит к заключению, что описанный механизм возникновения Б. а, В. может соответствовать действительности.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, M., 1975; Сахаров А. Д., Нарушение СР-инвариантности и С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной, "Письма в ЖЭТФ", 19Н7, т. 5, с. 32; Кузьмин В. А., СР-неинвариантность и барионная асимметрия Вселенной, там же, 1970, т. 12, с. 335; Зельдович Я. Б., Зарядовая несимметрия Вселенной как следствие испарения черных дыр и несимметрия слабого взаимодействия, там же, 1976, т. 24, с. 29; Игнатьев А. Ю., Кузьмин В. А., Шапошников M. E., О происхождении барионной асимметрии Вселенной, там же, 1979, т. 30, с. 726; Долгов А. Д., Зельдович Я. В., Космология и элементарные частицы, "УФН", 1980, т. 130, с. 559; Кузьмин В, А., Ткачев И. И., Шапошников M. E., Существуют ли домены антивещества во Вселенной, "Письма в ЖЭТФ", 1981, т. 33, с. 557; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, M., 1981; Вайнберг С., Первы три минуты, пер. с англ., M., 1981; Вил чек Ф., Космическая асимметрия между материей и антиматерией, пер. с англ., "УФН", 1982, т. 136, с. 149; Ignаtiev A. Yu. и др., universal CP-noninvariant superweak interaction and baryon asymmetry of the Universe, "Phys. Lett.", 1978, v. 76 B, p. 436. В. А. Кузьмин, M. E. Шапошников.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.