Проблема бариогенеза

Проблема бариогенеза

Суть проблемы барионной асимметрии Вселенной

Наблюдаемая Вселенная характеризуется доминированием вещества над антивеществом. Все звезды, планеты, галактики и наблюдаемое межгалактическое вещество состоят из барионов — протонов и нейтронов, и практически полностью лишены антибарионного аналога. Однако, исходя из фундаментальных физических принципов, в частности, из CPT-инвариантности и симметричности уравнений Стандартной модели, в начальный момент Большого взрыва материя и антиматерия должны были быть произведены в равных количествах. Возникает парадокс: почему сегодня мы наблюдаем барионную асимметрию?

Количество барионов по отношению к числу фотонов в реликтовом излучении определяется барионным параметром η:

$$ \eta = \frac{n_B - n_{\bar{B}}}{n_\gamma} \approx 6 \cdot 10^{-10} $$

где n_B и n_B̄ — концентрации барионов и антибарионов соответственно, а n_γ — плотность фотонов. Хотя это число и очень мало, его ненулевое значение имеет фундаментальные последствия: оно означает, что на миллиард частиц антивещества приходился миллиард и один барион. Практически вся антиматерия аннигилировала с материей, но небольшое избыток барионов остался и образовал наблюдаемую материю.

Условия Сахарова

Андрей Дмитриевич Сахаров в 1967 году сформулировал три необходимых условия, которые должны выполняться для генерации барионной асимметрии из симметричного начального состояния:

Нарушение закона сохранения барионного числа (B-нарушение) Должны существовать процессы, в которых общее число барионов не сохраняется. В Стандартной модели при высоких температурах (выше 100 ГэВ) возможны неабелевы аномалии, вызывающие нарушение барионного и лептонного числа за счёт эффектов спиновых структур вакуума (сфалероны).
Нарушение C- и CP-инвариантности Симметрии по зарядовому сопряжению (C) и их комбинации с зеркальным отражением (CP) должны нарушаться, чтобы материя и антиматерия вели себя по-разному. В Стандартной модели наблюдается слабое нарушение CP-симметрии в распадах K- и B-мезонов, но этого недостаточно для объяснения наблюдаемого η.
Уход из термодинамического равновесия Для того чтобы асимметрия не была устранена в процессе обратимых реакций, Вселенная должна находиться в условиях, отклонённых от термодинамического равновесия. Это, как правило, происходит в фазовых переходах в ранней Вселенной, таких как электрослабый или великое объединение.

Космологические сценарии бариогенеза

Существует несколько гипотетических моделей, каждая из которых предлагает свой механизм возникновения барионной асимметрии. Они различаются по энергии, физическим процессам и масштабу симметрий, лежащих в их основе.

1. Электрослабый бариогенез

Этот сценарий опирается на возможности Стандартной модели и её минимальных расширений. В нём используется сфалеронный механизм — нелокальные переходы между различными вакуумными конфигурациями SU(2)-поля при высоких температурах. При этом происходит нарушение барионного и лептонного числа: ΔB = ΔL ≠ 0, но сохраняется B − L.

Однако Стандартная модель предсказывает слишком слабое нарушение CP-инвариантности, а фазовый переход Хиггсовского поля при массах бозона Хиггса выше 80 ГэВ — кроссоверный, а не первый порядок. Это делает невозможным достаточный уход из равновесия.

Поэтому электрослабый бариогенез требует расширения Стандартной модели, например, введения дополнительных хиггсовских полей (в двухдублетной модели), новых источников CP-нарушения, или добавления суперсимметрии (MSSM).

2. Бариогенез при великом объединении (GUT-бариогенез)

Теории Великого Объединения (GUT), объединяющие сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие на масштабах порядка $10^{15} - 10^{16} $ ГэВ, предсказывают существование массивных X и Y бозонов, которые могут распадаться с нарушением барионного числа и CP-инвариантности.

Распады таких бозонов в ранней Вселенной происходят в условиях сильного отклонения от равновесия. Например, бозон X может распадаться по каналам:

X → q + q, X → q̄ + l̄

С разной вероятностью для материи и антиматерии. Это приводит к нетто-избытку барионов.

Главный недостаток этой модели — невозможность прямой экспериментальной проверки: такие процессы происходят на энергиях недостижимых для современных ускорителей, а масштаб GUT-перехода — за пределами космологически наблюдаемого прошлого.

3. Лептогенез

Лептогенез — это косвенный сценарий бариогенеза, основанный на предположении, что сначала формируется асимметрия по лептонам, которая затем перерабатывается в барионную через сфалероны.

Он реализуется, например, в рамках расширения Стандартной модели нейтрино — механизм Сихеева-Мохапатры (see-saw). В этой модели вводятся тяжёлые стерильные нейтрино (массы порядка 10¹⁰ − 10¹⁵ ГэВ), распады которых происходят с CP-нарушением и вне термодинамического равновесия:

N → l + H, N → l̄ + H^*

где N — тяжёлое нейтрино, l — лептон, H — бозон Хиггса.

Созданная лептонная асимметрия преобразуется в барионную через сферические аномалии SU(2), не затрагивающие B − L.

Лептогенез имеет важное преимущество: он тесно связан с нейтринной физикой и может быть проверен через наблюдение нейтринных осцилляций, нарушения CP в лептонном секторе, и безнейтринного двойного бета-распада.

4. Афинный и механистический бариогенез

Кроме вышеперечисленных, развиваются более экзотические модели, например:

Афинный (Affleck-Dine) бариогенез в рамках суперсимметрии. Здесь важную роль играют скалярные поля, имеющие нетривиальную динамику во время инфляции. Их колебания могут создавать избыток барионного числа.
Механистический бариогенез через взаимодействие с инфлатоном или модульными полями, приводящий к нарушению CPT и CP в динамическом фоновом поле.

Эти сценарии сильно зависят от параметров теории высоких энергий, и потому остаются гипотетическими, хотя и широко обсуждаются.

Экспериментальные ограничения и наблюдательные данные

Современные наблюдения космического микроволнового фона (CMB), в частности данные спутников WMAP и Planck, дают высокоточную оценку барионной плотности Вселенной:

Ω_bh² ≈ 0, 022

что соответствует ранее упомянутому значению η ≈ 6 ⋅ 10⁻¹⁰. Дополнительные данные приходят из:

Нуклеосинтеза лёгких элементов (He-4, D, Li-7), который чувствителен к барионной плотности.
Опытов по поиску распада протона, дающих нижние пределы времени жизни τ_p > 10³⁴ лет.
Нейтринных экспериментов, изучающих массы и CP-свойства нейтрино (DUNE, T2K, JUNO и др.).
Коллайдерных экспериментов (LHC, Belle II), ищущих новые источники CP-нарушения и физику за пределами Стандартной модели.

Теоретические трудности и направления исследований

Главная трудность современной теории бариогенеза состоит в том, что никакой из предложенных механизмов не может быть однозначно подтверждён наблюдениями, и ни один не реализуется полностью в рамках Стандартной модели.

Ключевые направления теоретических исследований включают:

Расширение хиггсовского сектора и моделирование фазовых переходов.
Уточнение параметров CP-нарушения и оценка его влияния на асимметрию.
Строительство моделей вне Стандартной модели с возможностью генерации асимметрии в допустимых энергетических диапазонах.
Связь с инфляцией, стерильными нейтрино, тёмной материей и топологическими дефектами.

Таким образом, проблема бариогенеза остаётся одним из важнейших открытых вопросов современной космологии и физики частиц, в котором переплетаются квантовые поля, астрофизические наблюдения, термодинамика и теория симметрий.