Барионная асимметрия Вселенной. История изучения и современное состояние теории

Размещено на http://www.allbest.ru/

БАРИОННАЯ АСИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ

Лютикова А.А., Комаров А.В.

Аннотация

В работе рассмотрена теория барионной асимметрии Вселенной, а также ключевые понятия, необходимые для понимания сути проблемы. Представлены наиболее популярные теории, объясняющие рассматриваемый парадокс, в том числе наиболее современные. Составлена периодизация изучения теории представителями научных сообществ разных стран.

Ключевые слова: барионная асимметрия, барионы, антивещество, термодинамическое равновесие, кванты, барионный заряд.

Annotation

Lutikova A.A., Komarov A. V. BARYON ASYMMETRY OF UNIVERSE. HISTORY OF STUDY AND CURRENT STATE OF THEORY

The paper examines the theory of baryon asymmetry of the Universe, as well as the key concepts necessary to understand the essence of the problem. The most popular theories explaining the paradox under consideration, including the most modern ones, are presented. We have compiled a periodization of the study of theory by representatives of scientific communities of different countries.

Keywords: baryon asymmetry, baryons, antimatter, thermodynamic equilibrium, quanta, baryon charge.

Основная часть

Весь мир вокруг нас образован с помощью материи. Книги, телефоны, даже мы сами, всё это произведено из молекул, какие произведены из атомов, а атомы созданы из электронов, нейтронов, а также протонов, которым присвоен термин «барионы» (за исключением электронов). Все они без исключения вместе формируют вещество.

Известно, что вещество имеет свой антипод-антивещество. Во время контакта они уничтожают друг друга, выделяя огромное количество энергии, то есть аннигилируют. Согласно подсчетам ученых-физиков, кусочек антиматерии размером 30 на 15 сантиметров, оказавшись на Земле, вызовет взрыв, по масштабам близкий к взрыву водородной бомбы. По прочим параметрам они очень похожи: антивещество имеет массу и вес, на него действуют все законы физики. Следует отметить разницу зарядов: когда у антипротона он является отрицательным, у позитрона напротив (антиэлектрона) является положителен.

Известно также, что антивещество не было замечено в пределах наблюдаемой Вселенной. Но, может быть, оно всё же есть, но в моменте не было зафиксировано учёными? Ровным счетом ничего необычного в данном допущении нет. Все наблюдаемые галактики, которые существуют в настоящее время, состоят из обычной материи. Если бы было иначе, то границы галактик являлись бы зоной почти непрерывного исчезновения материи вокруг них. Научные наблюдения на Земле регистрируют количество энергии, которая выделяется в процессе этого исчезновения. Но пока данное не случилось. Во всяком случае, на данный момент достоверных подтверждений существования антиматерии во Вселенной получено не было.

Неизбежность наличия антивещества во Вселенной требует включения его в космологическую модель формирования Вселенной. Это вызывает вопрос о существовании барионной асимметрии во Вселенной. Какова природа этой асимметрии?

Барионная асимметрия Вселенной указывает на преобладание материи над антиматерией в наблюдаемой части Вселенной. [2]

Этот интересный факт, связанный с недостатком предположение о первоначальной барионной симметрии во время Большого взрыва, не может быть объяснен ни Стандартной моделью, ни Общей теорией относительности. Это наблюдение играет важную роль в современной космологии, вместе с проблемой пространственной плоскости и горизонта, и представляет одну из составляющих проблемы начальных параметров в космологии.

По новым исследованиям, материя и антиматерия появились в начале Большого взрыва и вступили в процесс взаимного уничтожения, приводящего к образованию космического излучения. Количество фотонов в этом излучении огромно и значительно превышает количество барионов во Вселенной в миллиарды раз. Таким образом, изначально во Вселенной было намного больше материи, чем антиматерии. С течением времени "излишки" исчезли, а осталась лишь крошечная доля - одна миллиардная часть миллиарда. Это называется барионной асимметрией.

Множество учёных со всего мира уже давно занимаются изучением этого вопроса, поэтому следует систематизировать имеющуюся информацию и выделить в истории изучения данной проблемы несколько этапов. [3]

Однако перед изучением исторических этапов предлагаю рассмотреть факты, изучаемые физикой элементарных частиц, а именно факты комбинированной чётности, что подразумевает инвариантность разных взаимоотношений согласно данных симметрий:

1. P - четность. Симметрия, которая предполагает зеркальное отражение реакций, протекающих в физической системе.

2. С - зарядовое сопряжение. Симметрия, согласно которой частица может превратиться в античастицу.

3. Т - симметрия. Означает замену значения времени t на -t, то есть обращение времени.

I этап: выявление первых признаков существующей асимметрии.

До 1956 года считалось, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия действуют одинаково в соответствии с P-симметрией - предположением о том, что зеркальное отражение реакции происходит так же, как сама реакция. Однако, анализируя имеющиеся данные, ученые Ли Чжэндао и Ян Чжэньнин обнаружили, что экспериментально не подтверждается сохранение P-симметрии в слабых взаимодействиях. В 1956 году группа физиков провела эксперимент, основанный на бета-распаде ядра кобальта-60, что привело к значительному нарушению P-симметрии. Таким образом, впервые было получено экспериментальное подтверждение нарушения идеальной симметрии Вселенной.

II этап: рост интереса к проблеме в научном сообществе, начало формирования теории несимметричности Вселенной.

В 1957 году Лев Ландау разработал новую теорию симметрии на основе экспериментальных данных, полученных в 1956 году. В своих работах "Об одной возможности поляризационных свойств нейтрино" и "О законах сохранения в слабых взаимодействиях" он утверждал, что данная теория будет сохраняться даже в слабых взаимодействиях при сочетании с P-симметрией. Главную роль в этой симметрии играло зарядовое сопряжение, известное также как C- симметрия, позволяющая частицам превращаться в античастицы. Однако в 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили, что CP-симметрия может быть нарушена, что означает нарушение инвариантности различных взаимодействий относительно C- и P-симметрии. Это открытие принесло Кронину и Фитчу Нобелевскую премию по физике в 1980 году барионный асимметрия вселенная космологический

III этап работы Андрея Дмитриевича Сахарова: окончательное оформление теории барионной асимметрии Вселенной.

Работы советского ученого А.Д. Сахарова также играют важную роль в объяснении дисбаланса частиц-античастиц. В своей статье "Нарушение CP- инвариантности", опубликованной в 1966 году, он предложил идею о небольшом отклонении между барионами и антибарионами в ранней Вселенной - всего одна часть на миллиард в пользу барионов (где барионы и антибарионы - условность). [1] Как это произошло? А. Д. Сахаров выдвинул несколько объяснений:

Первое заключалось в нарушении термодинамического баланса Вселенной на начальных стадиях развития (проще говоря, нарушении теплового баланса), а второе предполагало нарушаться закон сохранения барионного заряда (иными словами, числа барионов за вычетом числа антибарионов), что фактически предполагало нестабильность протонов на ранних этапах формирования Вселенной. Впоследствии второе объяснение будет подвергнуто серьёзному сомнению.

Написав упомянутую статью, А. Сахаров окончательно оформил догадки и предположения о несимметричности Вселенной в полноценную теорию. Многие учёный в дальнейших исследованиях в этой области будут опираться именно на эту статью.

IV этап: от А. Д. Сахарова до наших дней.

В 1970 году ученый В.А. Кузьмин, работавший в Институте радиоастрономии ФИАН, опубликовал научную статью под названием "СР- неинвариантность и зарядовая асимметрия Вселенной", которая стала очередным значимым вкладом в изучение барионной асимметрии Вселенной. В своей работе Кузьмин предложил новую модель взаимодействия элементарных частиц, в рамках которой возникновение барионной асимметрии происходит при гораздо более низких температурах, чем планковская. При этом механизм распада новых тяжелых частиц остался неизменным.

Значимый момент в развитии исследований о проблеме барионной асимметрии связан с вкладом А. Ю. Игнатьева, Н. В. Красникова, В. А. Кузьмина и А. Н. Тавхелидзе в труд "Генерация барионной асимметрии в теориях большого объединения", а также с самостоятельной работой М. Йошимуры [4]

А совсем свежие Работы ученых Реймонда Ко и Кейсуке Харигая из Корнельского университета, представленные на университетской конференции в 2019 году дают новое объяснение изучаемой теории. Они предположили, что с первых секунд возникновения Вселенной у этих гипотетических частиц могла быть интересная особенность, они, словно центрифуги, вращались вокруг своей оси. Энергия этого вращения затем преобразовывалась в материю. В дальнейшем эта материя образовала видимые галактики, звезды, планеты и нас с вами.

Основываясь на работах и трудах разных деятелей и делая упор на работу ученого А. Д. Сахарова, можно систематизировать ряд предположений, объясняющих видимое превышение вещества над антивеществом:

Перебалансировка барионного числа возможна, когда количество барионов немного превышает количество антибарионов. Это количество определяется разницей между кварками и антикварками, которые составляют барионы, в системе. В некоторых теориях великого объединения, при высоких энергиях (выше 1014 ГэВ), три взаимодействия объединяются в одно. Таким образом, можно предположить, что нарушение равновесия барионного числа произошло на ранних стадиях развития Вселенной при грандиозном объединении.

Ученые пришли к выводу, что для нарушения барионного числа в слабых взаимодействиях достаточно энергии в 100 ГэВ. Однако физики не обнаружили нарушений барионного числа. Возможное нарушение барионного числа предполагает возможность распада протонов или случайного превращения нейтронов в антинейтроны и наоборот.

Нарушение термодинамического равновесия Вселенной на начальных стадиях формирования.

После открытия нарушения CP-симметрии, было принято решение о том, чтобы определить третью симметрию, которая сохраняет эффект трех взаимодействий вместе с двумя другими симметриями. Эта симметрия называется T-симметрией. Таким образом, была сформулирована теорема CPT, которая гласит о том, что трех взаимодействий комбинации C, P и T симметрий является инвариантной. По мере приближения системы к термодинамическому равновесию, симметрия становится все более сильной. Именно поэтому, для возникновения барионной асимметрии необходимо нарушение теплового равновесия на ранних стадиях космогенеза, когда температура относительно низкая. Таким образом, принципы, определенные Андреем Сахаровым, объясняют появление барионной асимметрии в общей структуре Вселенной. Однако пока не было получено экспериментальных подтверждений гипотезы, невзирая на то, что данные условия считаются теоретически возможными на начальных стадиях формирования Вселенной.

На этом мы переходим от общепризнанных объяснений в область гипотез. Одна из них объясняет барионную асимметрию Вселенной связью с электрослабым взаимодействием. Рассмотрим эту теорию. Для того, чтобы разъяснить происходящее с нашей материей требуется активировать нашу фантазию и представить существование таинственного поля во Вселенной. О его качествах и природе мы сейчас знаем очень мало, только то, что оно имеет отношение к распределению вещества и антивещества в пространстве и в какой- то степени аналогично привычной нам температуре. Подобно температуре кипения, оно может колебаться между разными значениями, достигая своей определенной границы. В начале Вселенной вещество находится в смешанном состоянии, которое можно описать как "горячее" и "кипящее". По мере расширения пространства, часть этого вещества начинает конденсироваться из первоначального пара и переходит в более холодное состояние, подобно процессу с водой. Такой процесс называется адиабатическим охлаждением и происходит, когда перегретый пар попадает в емкость, объем которой быстро увеличивается. В результате, часть вещества выпадает в осадок в виде жидкости. Аналогичная ситуация происходит и в космосе, где с увеличением объема пространства количество и размер конденсированных "капель" также увеличивается. Однако, в определенный момент мы сталкиваемся с явлением, которого не существует в привычной реальности. Условия попадания частиц и античастиц в конденсированную фазу не одинаковы, и частицам это удается немного легче. Это приводит к нарушению уравнения начальной концентрации, и в конденсированной "жидкости" и ее аналоге в "кипящей фазе" становится немного больше материи. Тем не менее, общее число барионов остается неизменным.

Более того, во время "кипения" начинают действовать квантовые эффекты электрослабого поля, которые не должны влиять на количество барионов, но фактически сбалансируют количество частиц и античастиц. Этот процесс также происходит и во время "капли", но в меньшей степени. Таким образом, общее количество античастиц уменьшается. Для объяснения этого явления важны два фактора. Квантовая аномалия электрослабого взаимодействия -- это наблюдаемый феномен, обнаруженный в 1976 году. Разница в вероятности частиц попасть в конденсированную область была теоретически рассчитана. Само поле начинает "кипеть" и затем остывает. Вначале думали, что это поле Хиггса, но после открытия бозона стало понятно, что он не связан с полем Хиггса. Возможно, его открытие ждет нас в будущем. [5]

Существует множество теорий об отклонениях между материей и антиматерией во Вселенной, включая гипотезы о неравноправных начальных условиях. В 2010 году появилась идея, которая связывает асимметрию барионов с темной материей. По этой теории, частицы, из которых состоит темная материя, имеют минусовой заряд бариона. Наблюдение их непосредственно на Земле невозможно, но в рамках галактик они проявляются с помощью гравитационного взаимодействия. Для подтверждения данных гипотез проводятся эксперименты на Большом адронном коллайдере, итоги которых стали базой для создания других гипотез. Недавно команда физиков, включающая российских ученых, приблизилась к разгадке загадки барионной асимметрии Вселенной. Предположительно, не последнюю роль в доминировании вещества могли сыграть нейтрино. Благодаря экспериментам по изучению осцилляций нейтрино, какие осуществляли физики из России, США, Чехии и КНР в лаборатории Дайя-бэй, удалось получить данные, дающие некоторое объяснение выдвинутому предположению. Осцилляцией нейтрино называется явление изменения нейтрино, при котором они превращаются в антинейтрино или в нейтрино другого типа (электронные, мюонные или таонные). Различие между этими видами нейтрино заключается в следующем: электронные нейтрино изменяются в электроны при взаимодействии с заряженными W-бозонами, нейтрино мюона превращаются в мюоны, а тау- нейтрино превращаются в тау-лептоны. Другими словами, ученые давно показали, что эти три типа нейтрино способны преобразовываться друг в друга. Это объясняет давно наблюдаемое явление - отсутствие электронных нейтрино в потоке нейтрино от Солнца. Группа физиков из Дайя-Бей проводила эксперимент с использованием трех нейтриновых детекторов и шести реакторных установок, расположенных в 500 метрах от них. Реакторы генерировали нейтрино и антинейтрино, которые фиксировались детекторами. Эксперимент продолжался несколько месяцев, во время которых исследователи основательно проанализировали полученные результаты. И вот, они обнаружили удивительный факт - около 6 процентов электронных антинейтрино, эмитированных реактором, исчезли во время эксперимента. Эти античастицы не достигли детекторов, а в результате эффекта осцилляции превратились в соответствующие электронные нейтрино. Но учёные удивились не от самого факта этого явления, а от его масштаба. В таком случае они решили узнать так называемый угол смешивания тета-13, иначе, его синус. Укажу, что углы смешивания считаются точными математическими функциями, указывающими возможность превращения одного сорта нейтрино в другой, а кроме того, нейтрино -в антинейтрино (их всего 3, и они обозначаются греческой буквой «тета» -013, 012 и 023). Непосредствее, угол тета-13 здесь и отвечает за осцилляцию антинейтрино, именно по этой причине он привлек ученых. По окончанию всех расчетов было узнано, что значение sin2 (2013) равно 0,092 ± 0,017. Для нас данное число выглядит крайне мылам, иначе говоря, малозначительным, но для ученых это огромное значение, поскольку первоначально её значение должно было быть равным 0. Из этого можно сделать следующий вывод: шанс превращения электронного антинейтрино в своего антипода крайне большая. Но возможность обратного процесса, напротив, практически равняется нулю. Итак, можно сделать вывод, что барионная асимметрия Вселенной была неминуемой. После изначального кварк-глюонного превращения вещества, первыми частицами, которые образовались, были нейтрино. Начально нейтрино и антинейтрино были равными, но из-за большого значения угла смешивания тета 13 (это лишь один из параметров, определенных для этих частиц), большинство антинейтрино превратилось в антинейтрино. Однако обратные осцилляции почти не происходили. В результате в нашем мире вещество начало преобладать над антиматерией, так как столкновения и взаимодействия нейтрино фактически вызывали образование всех остальных частиц. Исходя из того, что количество нейтрино превышало количество антинейтрино, иные частицы начали превалировать над своими антиподами. Как результат, наше мироздание было составленным главным образом из вещества. Однако исследователи утверждают, что пока не стоит говорить о полном и конечном объяснении асимметрии Вселенной. Следует осуществить ряд опытов и проверить возможность превращения других антинейтрино в свои антиподы. Лишь после этого возможно твердо заявить, что одной из основных тайн как образовался мир, будет меньше. Но тенденции в изучении этой проблемы можно назвать достаточно позитивными.

Можно с полной уверенностью заявлять, что изучение проблемы несимметричности наблюдаемой Вселенной не остановилось после важнейших открытий, сделанных в прошлом столетии. Исследования в данной области проводились и до сих пор проводятся, а интерес к изучаемой теме только усиливается. Особенно важен вклад А. Д. Сахарова, поскольку именно после публикации его статьи в 1966 году внимание научного сообщества обратилось на рассматриваемую проблему. Доказательством такому выводу служит резкий рост числа ученых, изучавших теорию, в 3 и 4 этапах нашей классификации.

Подобная концентрация внимания очень важна, поскольку объяснение причин и сущности асимметрии неразрывно связано с областью изучения антиматерии, которая, в свою очередь, рассматривается многими в качестве альтернативного источника энергии, который на данный момент, к сожалению, остаётся недостаточно изученным. Однако тенденция усиление интереса к барионной несимметричности Вселенной вселяет надежду на то, что в будущем будут совершены важнейшие научные открытия, которые найдут применение во многих областях нашей жизни.

Список литературы

1. Сахаров А. Д. Нарушение СР-инвариантности. С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной // ЖЭТФ. Письма в редакцию. 1967. Т. 5, Вып. 1. С. 3235;

2. Протяженность вселенной. Барионная асимметрия Вселенной [Электронный ресурс]. URL: https://sherstinka.ru/shkola-soiskatelya/protyazhennost-vselennoi-barionnaya-asimmetriya-vselennoi- krugooborot/ (дата обращения: 17.10.23);

3. Сокальский И. Действующие лица и исполнители: история барионов // Химия и жизнь. 2006. № 9 [Электронный ресурс]. URL: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430355/ (дата обращения: 17.10.23);

4. Ройзен И. Нобелевская асимметрия // Наука и жизнь. 2008. № 12 [Электронный ресурс]. URL: https://www.nkj.ru/archive/articles/15090/ (дата обращения: 17.10.23);

5. Барионная асимметрия Вселенной и эволюция галактик [Электронный ресурс]. URL: https://sfiz.ru/forums/posts/5482/ (дата обращения: 17.10.23)

Размещено на Allbest.ru