Баріонна асиметрія Всесвіту
Баріо́нна асиме́трія Все́світу — істотне переважання у спостережуваному Всесвіті (Метагалактиці) речовини над антиречовиною.
Зміст
Спостережні аспекти баріонної асиметрії
- Процеси, які спостерігаються на Землі, в Сонячній системі, нашій Галактиці, галактиках, що взаємодіють, тобто у спостережуваній частині Всесвіту (Метагалактиці), свідчать про те, що антиречовина практично відсутня (відношення її кількості до кількості речовини не перевищує 0,0001). Поодинокі антипротони реєструють у космічних променях.
- Спостережувана речовина (та, що випромінює й поглинає) практично цілком складається з баріонів (які об’єднують дві групи частинок: нуклони і гіперони); їхня енергетична частка становить ≈ 5 %.
- Баріонна матерія за масою (з відносною точністю до 0,001) у спостережуваній частини Всесвіту складається з найлегших баріонів — нуклонів, при цьому відношення кількості (концентрації) нуклонів [math] n_{ N }[/math] до кількості (концентрації) реліктових фотонів [math] n_{ \gamma }[/math] становить:
[math] \frac { n_{ N } }{ n_{ \gamma } } ≈ 10^{ -9 }[/math]
Ця баріонна (нуклонна) частина на 85 % складається з протонів і на 15 % із нейтронів, які перебувають у зв’язаному стані в атомних ядрах (переважно в Гелії).
- З електричної нейтральності спостережуваної частини Всесвіту випливає, що відношення концентрації електронів [math] n_{ e }[/math] до концентрації фотонів [math] n_{ \gamma }[/math] те саме, що й для нуклонів:
[math] \frac { n_{ e } }{ n_{ \gamma } } ≈ 10^{ -9 }[/math]
Ці відношення не мають залежати від часу в Метагалактиці, що адіабатично й ізотропно розширюється.
Сучасна концепція баріонної асиметрії
За сучасними уявленнями, Всесвіт народився електрично нейтральним із сумарним баріонним зарядом (+1 для баріонів, -1 для антибаріонів і 0 — для небаріонів), що дорівнював нулю. Нульовий баріонний заряд у цьому випадку означає, що кількість баріонів дорівнювала кількості антибаріонів. Баріонна ж асиметрія виникла, як вважають, пізніше, але на ранніх етапах розвитку Всесвіту в умовах високих енергій (температур). Наприкінці так званої адронної ери (10-4 с після Великого вибуху) інтенсивно народжувалися й анігілювали найлегші баріон-антибаріонні пари. Їхня концентрація була порівняною з концентрацією фотонів. Під час стрімкого розширення й охолодження Всесвіту народження нуклон-антинуклонних пар уже не компенсувало їхню анігіляцію, кількість баріонів (антибаріонів) швидко зменшувалася. Це тривало доти, доки не стабілізувалося на деякому значенні, коли темп анігіляції різко впав унаслідок сильного розрідження і перестав впливати на відношення концентрацій баріонів [math] n_{ N }[/math] , антибаріонів [math] n_{ \tilde{N} }[/math] і фотонів [math] n_{ \gamma }[/math]. За умови повної симетрії між частинками й античастинками ці відношення мали б стабілізуватися на рівні:
[math] \frac { n_{ N } }{ n_{ \gamma } } ≈ \frac { n_{ \tilde{N} } }{ n_{ \gamma } } ≈ 10^{ -18 }[/math]
Те, що спостережуване значення [math]≈ 10^{ -9 }[/math] для баріонів набагато вище цього рівня, свідчить про порушення симетрії.
Гіпотеза А. Сахарова
1967 А. Сахаров висунув гіпотезу про те, що спостережуване значення відношення для баріонів є наслідком незначного перевищення кількості нуклонів над антинуклонами:
[math] ≈ \frac {10^{ 9 } + 1 }{ 10^{ 9 } } [/math]
що виникло в результаті незберігання баріонного заряду та порушення CP-інваріантності. Умовою появи цього баріонного надлишку, як вважають, має бути тимчасовий вихід Всесвіту з рівноважного стану в процесі його розширення. Із наступним охолодженням Всесвіту речовина анігілювала з антиречовиною за виключенням незначного залишку [math]≈ 10^{ -9 }[/math] , який і став матеріалом для подальшої еволюції: народження зір, зоряних скупчень, галактик тощо.
Конкретизація процесів, які призводять до баріонної асиметрії
Цей незначний дисбаланс [math]≈ 10^{ -9 }[/math] між баріонами й антибаріонами (взагалі між ферміонами й антиферміонами) розраховують у межах сучасних теорій Великого об’єднання, доповнених моделлю Великого вибуху. Згідно з таким підходом, цей дисбаланс виник у досить короткий проміжок часу після Великого вибуху, коли типові енергії частинок (~1015 ГеВ) і температура (T > 1028 K) були ще достатні для народження переносників сил Великого об’єднання — Х-, Y-бозонів та (у такій самій кількості) їхніх античастинок [math] \tilde{X}, \tilde{Y}[/math] . Ці частинки беруть участь у кварк-лептонних переходах, у яких не зберігається ні баріонний заряд, ні лептонний заряд. Кожен із Х- і Y-бозонів може двома різними каналами і (що надзвичайно важливо) з дещо неоднаковою ймовірністю розпадатися на кварки й антикварки (з яких складаються баріони й антибаріони). У результаті утворюється певний надлишок кварків над антикварками; після їхнього об’єднання в протони й антипротони з’являється невеликий надлишок частинок над античастинками; після їхньої анігіляції — «залишок», що й спостерігається сьогодні як «звична» речовина. Унаслідок процесів анігіляції утворюється той самий надлишок фотонів відносно баріонів — 109. Ці фотони становлять переважну частину спостережуваного нині реліктового радіовипромінювання (мікрохвильове фонове випромінювання). Розсіяння енергії в процесі утворення з тих баріонів, що залишилися, нашої Метагалактики з точки зору термодинаміки є процесом «дисипації», тому величину
[math]S = \frac {n_{ \gamma } }{ n_{ N } } ≈ 10^{ 9 } [/math]
називають ентропією випромінювання, що припадає на один баріон (питома ентропія випромінювання), або навіть ентропією утворення Всесвіту.
Порушення симетрії відбувається самовільно (спонтанно), тому його називають спонтанним порушенням симетрії.
Література
- Рау В. Г. Основы теоретической физики. Физика атомного ядра и элементарных частиц. Москва : Наука, 2005. 144 с.
- Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Юдин Н. П. Частицы и атомные ядра. 3-е изд., испр. и доп. Москва : Либроком, 2013. 582 с.
- Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. 3-е изд. Фрязино : Век 2, 2015. 573 с.
- Андрієвський С. М., Кузьменков С. Г., Захожай В. А. та ін. Загальна астрономія. Харків : ПромАрт, 2019. 524 с.
Автор ВУЕ
Покликання на цю статтю: Кузьменков С. Г. Баріонна асиметрія Всесвіту // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Баріонна асиметрія Всесвіту (дата звернення: 12.05.2024).
Важливо!
Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.
Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.
Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.
Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів
Офіс Президента України
Верховна Рада України
Кабінет Міністрів України
Служба безпеки України
Міністерство оборони України
Міністерство внутрішніх справ України
