Реликтовые частицы

Реликтовые частицы: происхождение, свойства и космологическая значимость

Реликтовые частицы — это элементарные частицы, сохранившиеся с ранних этапов эволюции Вселенной. Они возникли в эпоху, когда Вселенная была ещё горячей и плотной, и сохраняются до настоящего времени, пронесённые через фазы расширения, охлаждения, а также через разнообразные фазовые переходы в ходе космологической эволюции. Их существование — прямое следствие принципов термодинамики, квантовой теории поля и общей теории относительности, действующих на фоне расширяющегося пространства.

Типичными реликтовыми частицами являются:

  • фотоны реликтового излучения (CMB),
  • нейтрино реликтового фона (CNB),
  • реликтовые гравитоны (если они существуют),
  • гипотетические реликтовые частицы тёмной материи (например, аксионы, WIMP’ы, суперсимметричные частицы).

Термическое равновесие и замораживание

На ранних стадиях Вселенной большинство элементарных частиц находились в термическом равновесии, постоянно рождаясь и аннигилируя. Однако по мере расширения температура падала, и скорость взаимодействий становилась меньше, чем скорость расширения Вселенной. Это приводило к так называемому вылету (или замораживанию) частиц из термического равновесия.

Ключевые параметры процесса замораживания:

  • Сечение взаимодействия σ,
  • Концентрация частиц n,
  • Температура T,
  • Постоянная Хаббла H.

Процесс описывается уравнением Больцмана:

$$ \frac{dn}{dt} + 3Hn = -\langle \sigma v \rangle (n^2 - n_{\text{eq}}^2), $$

где neq — равновесная концентрация, ⟨σv⟩ — термически усреднённое сечение аннигиляции.

Когда скорость аннигиляции становится ниже скорости расширения, частицы «замерзают» — их число в единице объёма больше не изменяется экспоненциально, и они сохраняются как реликтовые.

Фотоны реликтового излучения

Фотоны реликтового микроволнового фона являются наиболее изученным видом реликтовых частиц. Их излучение датируется эпохой рекомбинации (примерно 380 тысяч лет после Большого взрыва), когда электроны и протоны образовали нейтральные атомы, и Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения.

Основные характеристики:

  • Температура: Tγ ≈ 2, 725 K,
  • Спектр: Планковский, с максимумом в микроволновом диапазоне,
  • Плотность фотонов: примерно nγ ∼ 410 см−3.

Это излучение содержит информацию о флуктуациях плотности на ранней стадии и лежит в основе наблюдательной космологии.

Реликтовые нейтрино

Реликтовые нейтрино возникли в первые секунды после Большого взрыва, когда температура составляла порядка нескольких МэВ. При T ≲ 1 МэВ они вышли из равновесия и начали свободно распространяться.

Предсказанные параметры:

  • Температура: Tν ≈ (4/11)1/3Tγ ≈ 1, 95 K,
  • Плотность: nν ≈ 112 см−3 на каждую степень свободы,
  • Массы: экспериментально пока не определены точно, но ограничены сверху mν ≲ 0, 1 эВ.

Их прямое обнаружение — одна из важнейших задач современной нейтринной космологии, с ключевыми проектами вроде PTOLEMY.

Реликтовые гравитоны

Если гравитация квантуется, то аналогично другим полям в горячей Вселенной могли образоваться реликтовые гравитоны — кванты гравитационного поля. Ожидается, что их спектр формировался в эпоху инфляции.

Особенности:

  • Очень слабое взаимодействие с веществом,
  • Возможность регистрации через поляризацию B-типа в CMB,
  • Чувствительность к ранним фазам Вселенной, в том числе до эпохи инфляции.

Наблюдение реликтовых гравитонов дало бы уникальную информацию о квантовой гравитации и инфляционном механизме.

Тяжёлые стабильные реликтовые частицы

Некоторые модели расширения Стандартной модели, включая суперсимметрию, техницвет и теорию струн, предсказывают существование тяжёлых, слабо взаимодействующих частиц, которые могли бы быть реликтовыми. Если такие частицы стабильны или имеют большой период полураспада, они могли бы составлять тёмную материю.

Наиболее обсуждаемые кандидаты:

  • WIMP’ы (Weakly Interacting Massive Particles): масса в диапазоне  ∼ 10–1000 ГэВ, выходящие из равновесия по WIMP-механизму;
  • Аксионы: сверхлёгкие частицы, возникающие при спонтанном нарушении симметрии Печчи-Куинн;
  • Gravitino, Neutralino, Axino: реликтовые суперпартнёры в суперсимметрии;
  • Primordial black holes (если интерпретировать их как частицы).

Космологическая роль реликтовых частиц

Реликтовые частицы играют фундаментальную роль в формировании структуры Вселенной и определении её эволюции. Их вклад проявляется в:

  • Энергетическом балансе — вклад в плотность энергии и параметр Ω,
  • Анизотропии CMB — влияние на рост возмущений в плазме,
  • Нуклеосинтезе — особенно реликтовые нейтрино, которые влияют на соотношение n/p до образования лёгких элементов,
  • Формировании крупномасштабной структуры — тёмная материя необходима для роста гравитационных флуктуаций.

Реликтовые частицы также участвуют в реликтовом фоновом излучении, следы которого несут отпечаток ключевых космологических процессов.

Ограничения из наблюдений

Параметры реликтовых частиц строго ограничиваются данными:

  • Планковские данные (Planck) — температурные и поляризационные карты CMB,
  • Барионный акустический осцилляции (BAO),
  • Распределение галактик и линзирование,
  • Прямые и непрямые поиски тёмной материи.

Космология, таким образом, является не просто контекстом для реликтовых частиц, но и лабораторией для их изучения.

Реликтовые частицы как окно в новую физику

Реликтовые частицы предоставляют уникальные возможности для тестирования гипотез за пределами Стандартной модели. Они чувствительны к:

  • числу лёгких нейтрино (эффективное число степеней свободы),
  • новой физике ранней Вселенной (например, асимметрия между веществом и антивеществом),
  • масштабам энергии, недоступным коллайдерам.

Через реликтовые компоненты можно проверить существование новых взаимодействий, масштабов симметрии, а также выявить связь между космологией, квантовой теорией поля и астрофизикой.

Оглавление