Barionnaya assimetriya Vselennoi

BARIONNAYa ASIMMETRIYa VSELENNO' - nablyudaemoe v okruzhayushei nas chasti Vselennoi preobladanie veshestva nad antiveshestvom, ekstrapoliruemoe na Vselennuyu v celom (sm. Bariony, Antichasticy). Ochevidno, antiveshestva net na Zemle, t. k. peremeshannye veshestvo i antiveshestvo mgnovenno annigiliruyut s vydeleniem ogromnoi energii (sm. Annigilyaciya). Dannye o meteoritnyh vspyshkah, mezhplanetnom gaze, solnechnom vetre govoryat, chto antiveshestvo otsutstvuet i v Solnechnoi sisteme. Bolee togo, maloe kolichestvo antiprotonov i bolee tyazhelyh antiyader v kosmicheskih luchah, a takzhe tot fakt, chto v mezhzvezdnom gaze ne proishodit annigilyacii protonov (p) i antiprotonov (), k-ruyu mozhno bylo by nablyudat' po poyavleniyu fotonov vysokoi energii (g) ot cepochki reakcii , pokazyvayut, chto antiveshestvo v Galaktike v bol'shih kolichestvah otsutstvuet.

Vopros o prisutstvii antiveshestva v dr. galaktikah slozhnee. Pryamye nablyudeniya ne isklyuchayut togo, chto nek-rye iz etih galaktik mogli by sostoyat' iz antiveshestva. Izvestny, odnako, stalkivayushiesya galaktiki. V ryade sluchaev bol'shoe chislo galaktik, vhodyashih v odno skoplenie, pogruzheno v obshee oblako gaza. V podobnyh sluchayah mozhno schitat', chto vse eti galaktiki sostoyat iz veshestva odnogo tipa.

Dannye teoretich. i laboratornyh issledovanii ukazyvayut na simmetriyu sv-v chastic i antichastic: ih massy v tochnosti odinakovy, zaryady ravny i protivopolozhny po znaku. Pri vstreche chasticy i antichasticy annigiliruyut. Estestvenno bylo by schitat', chto simmetrii sv-v sootvetstvuet i simmetriya rasprostranennosti, t. e. chto vo Vselennoi chislo chastic i antichastic odinakovo. Lokal'no, t. e. v maloi oblasti prostranstva, takogo, ochevidno, byt' ne mozhet iz-za annigilyacii. V bol'shih oblastyah prostranstva v principe mozhno predstavit' sebe situaciyu, kogda odni oblasti zapolneny tol'ko veshestvom, drugie - antiveshestvom, a v srednem kolichestva veshestva i antiveshestva odinakovy. Takoe obosoblenie veshestva i antiveshestva vryad li moglo byt' sledstviem kakih-to nachal'nyh uslovii, t. k. pervichnaya goryachaya plazma na rannih stadiyah rasshireniya Vselennoi pri nesohranenii kolichestva barionov (sm. nizhe) v silu termodinamicheskogo ravnovesiya lokal'no soderzhala ravnoe chislo chastic i antichastic (sm. v st. Kosmologiya). Predpolozhenie zhe o tom, chto mezhdu veshestvom i antiveshestvom imeyutsya sily ottalkivaniya, privodyashie k ih razdeleniyu v bol'shih masshtabah, protivorechit sovr. dannym o sv-vah elementarnyh chastic.

T. o., obsheprinyata tochka zreniya, chto v okruzhayushem nas mire net antiveshestva, nesmotrya na opredelennuyu simmetriyu mezhdu chasticami i antichasticami.

Nalichie vo Vselennoi veshestva i otsutstvie antiveshestva nazyvayut barionnoi asimmetriei Vselennoi, imeya v vidu, chto sushestvuet veshestvo, sostoyashee iz protonov i neitronov, ob'edinennyh obshim nazvaniem - "bariony", i otsutstvuet antiveshestvo, sostoyashee iz antibarionov (t. e. antiprotonov i antineitronov).

Otnoshenie sr. plotnosti (koncentracii) barionov vo Vselennoi n_B k sr. plotnosti fotonov reliktovogo izlucheniya n_g ( 500 sm³) yavl. fundamental'noi konstantoi sovr. kosmologii i, soglasno sushestvuyushim dannym, ravno

b = n_B/n_g = 10^-9

Na sovr. etape evolyucii Vselennoi antiveshestva v nei prakticheski net, no na rannei stadii razvitiya, kogda temp-pa byla dostatochno vysokoi (T > 10¹³K) i energiya fotonov prevyshala energiyu pokoya protona i neitrona, kolichestvo chastic i antichastic dolzhno bylo byt' primerno ravnym: .

Inymi slovami, na kazhdyi milliard antibarionov v plazme soderzhalsya milliard barionov i eshe odin barion. V dal'neishem pri rasshirenii i ohlazhdenii plazmy kazhdaya chastica nashla sebe partnera, s k-rym i proannigilirovala, obrazovav v konechnom schete fotony. Eti fotony i sostavlyayut znachit. chast' nablyudaemogo seichas reliktovogo radioizlucheniya (sm. Mikrovolnovoe fonovoe izluchenie). "Lishnie" zhe protony i neitrony, ne naidya sebe naparnika dlya annigilyacii, posluzhili v dal'neishem "stroitel'nym materialom" nashego mira.

V sovr. nauke fakt B. a. V. i znachenie b opredelyayutsya ne iz fundamental'noi fiz. teorii, a iz astronomich. nablyudenii. Imenno astronomich. nablyudeniya ukazali na neobhodimost' takoi perestroiki teorii elementarnyh chastic, k-raya mogla by ob'yasnit' B. a. V.

Po sovr. predstavleniyam, vozniknovenie B. a. V. yavl. sledstviem treh fiz. yavlenii: otsutstviya tochnoi simmetrii mezhdu chasticami i antichasticami, nesohraneniya kolichestva barionov, rasshireniya Vselennoi. Rassmotrim eti yavleniya podrobnei.

1. Sovr. teoriya utverzhdaet, chto chasticy i antichasticy obladayut simmetriei svoistv. Eto sleduet iz t. n. SRT-teoremy kvantovoi teorii polya, soglasno k-roi zakony prirody ne izmenyatsya, esli ot chastic pereiti k antichasticam (S-preobrazovanie) i odnovremenno proizvesti zamenu koordinat r na -r (zerkal'noe otrazhenie, ili R-preobrazovanie) i izmenit' napravlenie vremeni na obratnoe (T-preobrazovanie). V silu SRT-teoremy, esli v sisteme protekaet k.-l. process s uchastiem elementarnyh chastic, to v nei vozmozhen i SRT-sopryazhennyi process, v k-rom chasticy zameneny sootvetstvuyushimi antichasticami, proekcii ih spinov izmenili znak, a nachal'nye i konechnye sostoyaniya pomenyalis' mestami.

Eksperiment, odnako, pokazyvaet, chto otnositel'no S-, R- i T-preobrazovanii (inversii) v otdel'nosti simmetriya nemnogo narushena. V chastnosti, esli chastica nestabil'na i mozhet raspadat'sya v raznye konechnye sostoyaniya, to veroyatnosti raspadov v dannoe konkretnoe sostoyanie dlya chasticy i v analogichnoe (zaryadovo-sopryazhennoe) dlya antichasticy okazyvayutsya neskol'ko razlichnymi. Eto yavlenie naz. narusheniem S- i SR- simmetrii. Razlichie v veroyatnostyah ochen' malo, no imenno ono obespechivaet preimushestvennoe vyzhivanie chastic veshestva v nashem mire.

2. Soglasno imeyushimsya eksperimental'nym dannym, raznost' polnogo chisla barionov i antibarionov, nazyvaemaya barionnym zaryadom (B), yavl. sohranyayusheisya velichinoi. Prezhde vsego ob etom svidetel'stvuet stabil'nost' okruzhayushego nas veshestva - protonov i atomnyh yader. Dalee iz opytov, vypolnennyh na uskoritelyah, izvestno, chto rozhdenie antibariona v k.-l. reakcii obyazatel'no soprovozhdaetsya rozhdeniem bariona, tak chto raznost' mezhdu polnym chislom barionov i antibarionov v nachal'nom i konechnom sostoyaniyah ostaetsya neizmennoi. Esli bariony deistvitel'no sohranyayutsya, to skol'ko barionov nahodilos' s "samogo nachala" v nashei Vselennoi, stol'ko zhe i dolzhno ostat'sya v nei navsegda.

Odnako s kazhdym izvestnym sohranyayushimsya zaryadom svyazana bezmassovaya chastica - perenoschik vzaimodeistviya s etim zaryadom (napr., foton dlya chastic, obladayushih elektrich. zaryadom). Mozhno schitat' ustanovlennym, chto dlya barionnogo zaryada podobnoi chasticy ne sushestvuet. Bolee togo, teoreticheskie Velikogo ob'edineniya modeli predskazyvayut, chto barionnyi zaryad deistvitel'no ne sohranyaetsya, chto nablyudaemaya stabil'nost' protona yavl. lish' priblizhennoi. Opyty po poiskam raspada protona poka ne dali odnoznachnyh rezul'tatov. Ne isklyucheno, chto opredelenie vremeni zhizni protona lezhit za predelami sovr. eksperimental'nyh vozmozhnostei. V etom sluchae lish' astronomiya (a imenno: dannye ob otsutstvii antiveshestva vo Vselennoi) mozhet svidetel'stvovat' o nesohranenii barionov.

Odin iz vozmozhnyh putei, vedushih k nesohraneniyu barionnogo zaryada, svyazan s raspadom H-bozonov - tyazhelyh chastic, predskazyvaemyh modelyami velikogo ob'edineniya. H-bozony mogut raspadat'sya dvumya sposobami: na paru kvarkov (qq) i na antikvark i antilepton (). V pervom sluchae barionnyi zaryad konechnogo sostoyaniya raven ²/₃, a vo vtorom raven -¹/₃. Esli by zakonami fiziki byl razreshen tol'ko odin iz etih raspadov, to barionnyi zaryad ostalsya by sohranyayushimsya, pri etom prishlos' by pripisat' nekii barionnyi zaryad H-bozonu. Imenno nalichie dvuh putei raspada odnoi i toi zhe chasticy, vedushih k razlichnym barionnym zaryadam v konechnom sostoyanii, opredelyaet nesohranenie V. Esli pervyi process provesti v obratnom napravlenii, a zatem vklyuchit' vtoroi: , to v summe barionnyi zaryad V izmenitsya na edinicu.

Analogichnaya situaciya vozmozhna dlya anti-H-bozonov: , prichem v silu narusheniya S- i SR-simmet-rii veroyatnost' raspada (X qq) ne ravna veroyatnosti zaryadovo-sopryazhennogo raspada (). Poetomu pri raspade simmetrichnoi smesi H- i roditsya razlichnoe chislo barionov (kvarkov) i antibarionov (antikvarkov).

Effekt nesohraneniya V v raspadah H-bozonov velik, no pri energiyah, dostizhimyh v sovr. laboratoriyah, nesohranenie V nastol'ko malo, chto poka ne obnaruzheno. Eto svyazano s gigantskoi velichinoi massy H-bozonov (predpolozhitel'no, m_X > 10¹⁴-10¹⁵ GeV). Veroyatnost' processov s ih uchastiem soderzhit faktor (e/m_X)⁴, gde e - harakternaya energiya v dannom processe. Ochevidno, chto s rostom energii veroyatnost' nesohraneniya V rastet, i pri energiyah ~10¹⁴-10¹⁵ GeV processy s nesohraneniem barionnogo zaryada dolzhny proishodit' s toi zhe primerno veroyatnost'yu, chto i processy s ego sohraneniem. K sozhaleniyu, poka net i, po-vidimomu, eshe dolgo ne budet uskoritelya, na k-rom mozhno bylo by neposredstvenno izuchat' zakony vzaimodeistviya chastic pri takih energiyah. Odnako samoproizvol'nyi raspad protona, esli on budet obnaruzhen, kosvenno pozvolit nam "zaglyanut'" v oblast' etih sverhbol'shih energii. Nesohranenie barionnogo zaryada moglo by proyavit'sya takzhe v rozhdenii antineitronov v puchke svobodnyh neitronov - v t. n. neitron-antineitronnyh oscillyaciyah. Ih poisk takzhe vedetsya. V etih oscillyaciyah barionnyi zaryad dolzhen menyat'sya srazu na dve edinicy.

Esli v istorii razvitiya Vselennoi byl period, kogda temp-pa byla ~10¹⁴-10¹⁵ GeV (10²⁷ - 10²⁸K), a plotnost' ~ 10⁷⁵ g/sm3, to v eto vremya nesohranenie barionnogo zaryada dolzhno bylo byt' veliko, v chastnosti za schet togo, chto v pervichnoi plazme pri takoi temp-re mogli rozhdat'sya H-bozony. Imenno togda iz-za otlichiya v sv-vah chastic i antichastic i mog vozniknut' nebol'shoi izbytok barionov. V dal'neishem, po mere rasshireniya Vselennoi, srednie rasstoyaniya mezhdu chasticami rosli, energii padali i processy, privodyashie k nesohraneniyu barionov, postepenno vyklyuchalis'. Eto vskore privelo k prakticheski tochnomu sohraneniyu barionov i pozvolilo nebol'shomu izbytku barionov, voznikshemu na sverhplotnoi stadii razvitiya Vselennoi, dozhit' do nashego vremeni v vide nablyudaemogo vo Vselennoi veshestva.

3. V privedennyh rassuzhdeniyah sushestvennuyu rol' igraet nestacionarnost' Vselennoi. Delo v tom, chto izolirovannaya sistema, dostatochno dolgo nahodyashayasya v stacionarnom sostoyanii, obyazatel'no prihodit k termodinamich. ravnovesiyu. A v ravnovesnom sostoyanii pri nesohranenii V kolichestvo barionov ravno kolichestvu antibarionov. Eto yavl. sledstviem SRT-teoremy. No poskol'ku Vselennaya nestacionarna (rasshiryaetsya), termodinamich. ravnovesie okazyvaetsya narushennym. Pri etom iz-za narusheniya S- i SR-simmetrii i nesohraneniya barionnogo zaryada chislo barionov obyazatel'no ne budet ravno chislu antibarponov.

Velichinu b v obsuzhdaemoi modeli mozhno vyrazit' cherez parametry, harakterizuyushie vzaimodeistviya H-bozonov, ih massu i temp rasshireniya mira:

b > (0,1 - 0,01)H_mt ^. DB

gde H_m- postoyannaya Habbla v moment, kogda temp-pa pervichnoi plazmy (energiya chastic) v energetich. ed. byla ravna masse H-bozonov, t - vremya zhizni H-bozonov, a DB- raznost' veroyatnostei raspada . Mozhno s dostatochnoi uverennost'yu skazat', chto DB << 1, no tochnost' poluchennyh teoretich. rezul'tatov kolebletsya v predelah 2-3 poryadkov. Hotya vyvody teorii imeyut lish' kachestvennyi harakter, oni okazyvayutsya sushestvennymi dlya opredeleniya struktury Vselennoi. Neizvestnaya velichina otnosheniya n_B/n_g dolzhna byt', po-vidimomu, vezde odinakovoi. Sledovatel'no, pri malyh vozmusheniyah odnorodnosti Vselennoi na rannih stadiyah ee evolyucii plotnost' barionov i plotnost' fotonov (izlucheniya) menyayutsya proporcional'no. Na osnove etoi vzaimosvyazi mozhno sdelat' opredelennye vyvody o haraktere sovr. struktury Vselennoi (sushestvovanii sverhskoplenii galaktik, ih raspolozhenii i dr.).

Lit.: Dolgov A. D., Zel'dovich Ya. B., Veshestvo i antiveshestvo vo Vselennoi, "Priroda", 1982, 8; ih zhe, Kosmologiya i elementarnye chasticy, "UFN", 1980, t. 130, v. 4, s. 559.

(A.D. Dolgov, Ya.B. Zel'dovich)