Баріогенез (або баріосинтез) — гіпотетичний процес у фізичній космології, внаслідок якого у молодому Всесвіті невдовзі після Великого вибуху виникла баріонна асиметрія, тобто невеликий надлишок частинок у порівнянні з античастинками. Після взаємної анігіляції більшості частинок й античастинок це зрештою призвело до того, що тепер у Всесвіті спостерігається лише речовина (баріони), але практично немає антиречовини (антибаріонів), за винятком невеликої кількості антиречовини, утвореної у зіткненнях космічних променів: 22.3.6. Оскільки космологія припускає, що частинки, які ми спостерігаємо, були створені за тими ж фізичними законами, які діють сьогодні, а в експериментах із фізики елементарних частинок матерія та антиматерія виникають в однакових кількостях, перевага матерії над антиматерією залишається непоясненим явищем.

Запропоновано низку теоретичних механізмів, які можуть пояснити цю невідповідність, — зокрема такі, що передбачають та переважне утворення матерії, а не антиматерії. Ця різниця має бути надзвичайно малою — приблизно одна частинка з (≈) за частку секунди після Великого вибуху. Після взаємної анігіляції більшої частини матерії та антиматерії у Всесвіті залишилася лише баріонна речовина.

Більшість теорій великого об'єднання передбачають порушення баріонного числа, що могло б пояснити спостережувану асиметрію, зокрема через реакції за участю масивних X-бозонів або важких бозонів Хіггса. Швидкість таких процесів значною мірою визначається масою проміжних частинок — X-бозони чи бозон Хіггса, — тож, виходячи з припущення, що ці реакції є головним джерелом баріонної асиметрії, можна оцінити граничну масу, перевищення якої зробить процес надто повільним, щоб пояснити кількість матерії у сучасному Всесвіті. Такі моделі також передбачають спонтанний розпад протона, який, однак, досі не спостерігався. Отже, причина переваги матерії над антиматерією залишається загадкою.

Теорії баріогенезу ґрунтуються на різних описах взаємодії фундаментальних частинок. Основні напрямки досліджень — це електрослабкий баріогенез, який міг відбуватися під час електрослабкого фазового переходу, та баріогенез великого об'єднання, що міг мати місце під час або невдовзі після Епохи великого об'єднання. Для опису таких можливих механізмів використовують квантову теорію поля та статистичну фізику.

Після баріогенезу у Всесвіті відбувся первинний нуклеосинтез, під час якого почали формуватися атомні ядра.

Передумови Більшість звичайної матерії у Всесвіті міститься в атомних ядрах, які складаються з нейтронів і протонів. Не існує жодних свідчень на користь існування первинної антиречовини. У Всесвіті приблизно один із 10000 протонів є антипротоном, що узгоджується з постійним утворенням антиречовини під дією космічних променів. Можливість існування областей антиречовини в інших частинах Всесвіту не підтверджується, бо це б призвело до утворення гамма-випромінювання в результаті анігілячяції частинок і аантичастинок, яке не спостерігається.

Точні передбачення первинного нуклеосинтезу залежать від значення коефіцієнта баріонної асиметрії. Відповідність між передбаченнями та спостереженнями нуклеосинтезу обмежує можливі значення цього коефіцієнта. Зокрема, якщо модель розрахована з однаковими кількостями баріонів і антибаріонів, вони повністю анігілюють, залишаючи занадто мало баріонів для утворення нуклонів.

Існує дві основні інтерпретації цієї невідповідності: або Всесвіт спочатку мав незначну перевагу речовини (загальне баріонне число Всесвіту відрізнялося від нуля), або спочатку він був абсолютно симетричним, але згодом певні процеси фізики елементарних частинок призвели до невеликої переваги речовини над антиречовиною. Метою космологічних теорій баріогенезу є пояснення коефіцієнта баріонної асиметрії за допомогою квантової теорії поля.

Умови Сахарова У 1967 році Андрій Сахаров запропонував і російською, , передруковано як набір із трьох необхідних умов, яких повинна дотримуватися взаємодія, що породжує баріони, аби речовина й антиречовина утворювалися з різними швидкостями. Ці умови були натхненні нещодавніми відкриттями реліктового випромінювання і порушення CP-інваріантності у системі нейтральних каонів. Три необхідні «умови Сахарова» такі: Незбереження баріонного числа . Порушення CP-інваріантності та C-інваріантності. Відсутність термодинамічної рівноваги.

Незбереження баріонного числа є необхідною умовою для утворення надлишку баріонів над антибаріонами. Водночас порушення C-інваріантності потрібне, щоб процеси, які утворюють більше баріонів, ніж антибаріонів, не компенсувалися зворотними реакціями, що утворюють більше антибаріонів. Аналогічно, порушення CP-інваріантності є обов'язковим, інакше утворювалася б однакова кількість лівих баріонів і правих антибаріонів, а також лівих антибаріонів і правих баріонів. Нарешті, остання умова, відсутність термодинамічної рівноваги, передбачає, що швидкість реакцій, які генерують баріонну асиметрію, має бути меншою за швидкість розширення Всесвіту. Це гарантує, що частинки та їхні античастинки не досягають теплової рівноваги, оскільки швидке розширення зменшує ймовірність їхньої анігіляції. Таким чином, щоб створити асиметрію, взаємодії повинні відбуватися поза термодинамічною рівновагою на момент порушення збереження баріонного числа та симетрій C- і CP-інваріантності.

У Стандартній моделі

Стандартна модель може пояснити баріогенез, хоча кількість створених у такий спосіб баріонів (і лептонів) може бути недостатньою, щоб пояснити спостережувану нині баріонну асиметрію. Для утворення всієї відомої матерії у Всесвіті на ранніх етапах його існування потрібно було мати надлишок, рівний приблизно одному кварку на мільярд пар кварк–антикварк. Ця величина асиметрії поки що не має задовільного теоретичного пояснення.

Баріогенез у межах Стандартної моделі вимагає, щоб порушення електрослабкої симетрії відбувалося як фазовий перехід першого роду, оскільки в іншому випадку знищили б будь-яку баріонну асиметрію, що виникла до фазового переходу. Після цього кількість баріонів практично точно зберігається.

Фазовий перехід утворює доменні стінки, які спонтанно порушують P-інваріантність, що дозволяє взаємодіям із порушенням CP-інваріантності також порушувати C-інваріантність по обидва боки стінки. Кварки мають тенденцію накопичуватися на стороні з порушеною фазою, тоді як антикварки — на стороні з непорушеною. Через електрослабкі взаємодії, що порушують CP-інваріантність, деякі амплітуди з участю кварків не дорівнюють відповідним амплітудам для антикварків, а радше мають протилежну фазу (див. CKM-матриця та каон). Оскільки обернення часу перетворює амплітуду на її комплексно спряжену, повна CPT-інваріантність при цьому зберігається.

Попри те що деякі амплітуди мають протилежні фази, і кварки, і антикварки мають додатну енергію, тому під час руху у просторі-часі набувають однакової фази. Ця фаза також залежить від маси, яка є однаковою, але залежить від аромату та вакуумного очікуваного значення для поля Хіггса, що змінюється вздовж доменної стінки. Через це абсолютні значення сум амплітуд відрізняються для кварків та антикварків. У результаті кварки й антикварки мають різну ймовірність відбиття та проходження крізь доменну стінку, причому через неї проходить більше кварків із непорушеної фази, ніж антикварків.

Таким чином, виникає чистий баріонний потік крізь доменну стінку. Завдяки сфалеронним переходам, які часто трапляються в непорушеній фазі, антибаріони у цій фазі зникають — антикварки перетворюються на лептони. Водночас сфалерони в порушеній фазі трапляються досить рідко, щоб не знищити надлишок баріонів. Це призводить до надлишку баріонів (а також лептонів).

У цьому сценарії непертурбативні електрослабкі процеси (тобто сфалерони) відповідають за порушення баріонного числа, пертурбативний електрослабкий лагранжіан — за порушення CP-інваріантності, а доменна стінка — за відсутність теплової рівноваги та порушення P-інваріантності; разом із порушенням CP-інваріантності вона також створює порушення C-інваріантності по обидва боки.

Зв'язок із нуклеосинтезом Великого вибуху

Головне питання баріогенезу полягає в тому, що саме спричинило надлишок матерії над антиматерією у Всесвіті, а також якою є величина цієї асиметрії. Важливою характеристикою є параметр асиметрії, який визначається якде і позначають концентрацію баріонів і антибаріонів відповідно, а  — концентрацію фотонів реліктового випромінювання.

Згідно з моделлю Великого вибуху, речовина відокремилася від реліктового випромінювання за температури близько кельвінів, що відповідає середній кінетичній енергії / () = . Після цього відокремлення загальна кількість фотонів реліктового випромінювання залишилася сталою. Отже, через розширення простору-часу концентрація фотонів зменшується. Густина фотонів при температурі рівноваги визначається виразом

де  — стала Больцмана,  — стала Планка, поділена на ,  — швидкість світла у вакуумі, а  — стала Апере. За сучасної температури фотонів реліктового випромінювання це відповідає густині приблизно 411 фотонів реліктового випромінювання на кубічний сантиметр.

Недоліком визначеного так параметру асиметрії є те, що він сильно змінється в ході розширення Всесвіту. Замість нього часто використовують інший параметр, визначений відносно густини ентропії , оскільки густина ентропії Всесвіту залишалася практично сталою протягом більшої частини його еволюції:Густина ентропії задається виразомде і  — тиск і густина енергії, що входять до тензора енергії-імпульсу , а  — ефективне число ступенів вільності для безмасових частинок при температурі (для випадку, коли ):для бозонів і ферміонів із та ступенями вільності при температурах і відповідно. У сучасну епоху .

Інші моделі

Розпад B-мезонів Інше можливе пояснення баріогенезу полягає в реакції розпаду B-мезогенезу. Це явище передбачає, що в ранньому Всесвіті частинки, такі як B-мезон, розпадалися на звичайний баріон стандартної моделі та темний антибаріон, який залишається невидимим для сучасних методів спостереження.

Асиметрична темна матерія Гіпотеза асиметричної темної матерії розглядає механізми, які могли б пояснити наявність темної матерії та відсутність темної антиматерії як наслідок того самого ефекту, що зумовив баріогенез.

Див. також

Баріонна асиметрія Всесвіту Механізм Аффлека — Дайна Хронологія Всесвіту Порушення CP-інваріантності Лептогенез

Примітки

Література