Одной из наиболее фундаментальных загадок современной космологии и физики элементарных частиц является барионная асимметрия Вселенной (БАВ) — наблюдаемое преобладание материи над антиматерией. Согласно стандартной космологической модели, в начальные моменты после Большого взрыва количество частиц и античастиц должно было быть одинаковым. Однако, во Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня, барионов (протонов и нейтронов) гораздо больше, чем антибарионов. Вся наблюдаемая материя состоит из вещества, и количество антивещества в макроскопических масштабах практически нулевое.
Количество барионов, нормированное на плотность фотонов, составляет
$$ \eta_B \equiv \frac{n_B - n_{\bar{B}}}{n_\gamma} \sim 6 \times 10^{-10} $$
Этот параметр определяется с высокой точностью из наблюдений космического микроволнового фона и данных по первичному нуклеосинтезу.
В 1967 году А.Д. Сахаров сформулировал три необходимых условия, при которых возможно динамическое нарушение симметрии между материей и антиматерией в ранней Вселенной:
Нарушение барионного числа Для образования избытка барионов необходимо наличие процессов, нарушающих сохранение барионного числа B. Такие процессы должны происходить на ранних стадиях эволюции Вселенной.
Нарушение C- и CP-инвариантности Если процессы нарушают только барионное число, но при этом сохраняют симметрии зарядового сопряжения (C) и сочетанной симметрии зарядового сопряжения и пространственного отражения (CP), то количество вещества и антивещества будет создаваться симметрично. Лишь при нарушении этих симметрий возможен ненулевой избыток барионов.
Отклонение от термодинамического равновесия В условиях равновесия нарушение CP-инвариантности не приводит к нетто-изменению числа барионов. Только в неравновесных условиях (например, при фазовых переходах в ранней Вселенной) возможна реализация асимметрии.
Эти три условия легли в основу всех последующих моделей бариогенеза.
В рамках Стандартной модели (СМ) существует аномальное нарушение барионного и лептонного чисел при высоких температурах, за счет непертурбативных процессов, называемых сфалеронными переходами. Эти процессы сохраняют разность B − L, но нарушают индивидуальные числа B и L.
На температурных масштабах порядка T ∼ 102 − 103 ГэВ (вблизи электрослабого фазового перехода) сфалероны могут быть достаточно эффективны, чтобы перераспределять созданную ранее лептонную или барионную асимметрию. Это делает возможным сценарий, в котором первичная лептонная асимметрия трансформируется в барионную — лептогенез.
Однако в самой СМ этих эффектов недостаточно для объяснения наблюдаемого значения ηB, поскольку:
Это один из наиболее естественных сценариев, так как он работает на энергиях, близких к доступным в экспериментах. Он требует, чтобы:
Модификации СМ, такие как расширенная модель с двумя хиггсовскими дублетами (2HDM) или суперсимметрия, могут удовлетворять этим условиям.
Однако, несмотря на теоретическую привлекательность, этот сценарий требует строгих условий и часто оказывается недостаточным при учете экспериментальных ограничений (например, на EDM — электрические дипольные моменты частиц).
В рамках теорий Великого объединения (GUT), например, SU(5), барионное число нарушается естественным образом за счёт распада сверхмассивных X- и Y-бозонов. Эти распады могут происходить вне термодинамического равновесия и при нарушении CP-инвариантности.
Реализация GUT-бариогенеза требует температуры порядка 1015 ГэВ, что выходит далеко за пределы достижимого экспериментально. Кроме того, такие высокие температуры потенциально конфликтуют с инфляционной моделью (перегрев после инфляции) и порождают проблемы, такие как перепроизводство магнитных монополей и гравитино в супергравитации.
В этом сценарии вначале создаётся лептонная асимметрия, которая затем преобразуется в барионную за счёт сфалеронных процессов. Наиболее популярной реализацией является тепловой лептогенез в расширении Стандартной модели с тяжелыми правыми нейтрино (механизм Сии — see-saw).
Распады тяжелых майорановских нейтрино Ni приводят к:
Лептогенез — один из наиболее реалистичных механизмов, поскольку он также объясняет малость нейтринных масс через механизм Сии. Он хорошо согласуется с экспериментальными ограничениями и предсказывает естественные параметры.
В отличие от вышеперечисленных термических сценариев, аффинный бариогенез использует динамику скалярных полей с барионным числом в инфляционной или постинфляционной эпохе. Это нетепловой сценарий, в котором асимметрия создаётся в результате эволюции комплексного скалярного поля с нарушением CP и B-симметрий.
Такие сценарии возникают, например, в рамках суперсимметрии, где существуют плоские направления потенциальной энергии, по которым могут двигаться скалярные суперпартнёры фермионов (адроны и лептоны). При подходящих начальных условиях и взаимодействиях может формироваться макроскопическая асимметрия.
Инфляционная стадия существенно влияет на возможные сценарии бариогенеза. Во-первых, она «стирает» любую предварительно существующую асимметрию. Поэтому барионная асимметрия должна возникать после reheating. Температура reheating’а определяет, какие модели допустимы:
Наблюдения спутников WMAP и Planck позволяют точно измерить ηB на уровне
ηBCMB = (6.1 ± 0.1) × 10−10
Сравнение теоретических расчётов и наблюдаемого состава лёгких элементов подтверждает значение ηB, определённое из CMB.
Измерения EDM нейтрона, электрона и других частиц дают жёсткие ограничения на CP-нарушающие параметры. Эти данные ограничивают возможные сценарии, особенно в контексте электрослабого бариогенеза.
Наблюдение распада протона стало бы прямым свидетельством нарушения барионного числа. Пока такие распады не зафиксированы, что накладывает ограничения на параметры GUT-моделей.
Открытие нейтринных осцилляций указывает на ненулевые массы нейтрино, что делает лептогенез особенно актуальным. Дополнительные данные о CP-фазах в нейтринном секторе, ожидаемые от экспериментов типа DUNE и Hyper-Kamiokande, критичны для подтверждения сценариев лептогенеза.
Поиск и уточнение механизмов, ответственных за барионную асимметрию, остаются важнейшими задачами современной физики, напрямую связывающими космологию, физику частиц и астрофизику.