4.2. Барионная асимметрия Вселенной.

 

Современная Вселенная состоит из фотонов, нейтрино, электронов и барионов. Фотонную компоненту мы наблюдаем непосредственно, изучая реликтовое излучение Вселенной. Выше уже отмечалось, что реликтовое излучение содержит важнейшую информацию о том, что на ранних стадиях космологической эволюции Вселенная была однородной, изотропной и очень горячей. Нейтринная компонента также могла бы предоставить большое количество информации о свойствах ранней Вселенной, но, к сожалению, сегодня в нашем распоряжении нет методов регистрации реликтовых нейтрино. Тем не менее, мы уверены в существовании реликтовых нейтрино, поскольку нейтринная компонента Вселенной надежно предсказывается экспериментально проверенной СМ. Относительно электронов и барионов (последние входят в состав атомных ядер) нам достоверно известно, что полный электрический заряд этих частиц, содержащихся в наблюдаемой части Вселенной, равен нулю. Это возможно только в том случае, если число электронов точно равно числу протонов. Отметим, что, характеризуя состав современной Вселенной, мы не говорили об античастицах – позитронах и антибарионах. Нет никаких наблюдательных данных, которые свидетельствовали бы о существовании заметного количества антибарионов в наблюдаемой части Вселенной. Об этом факте говорят как о барионной асимметрии Вселенной (БАВ). Вообще говоря, существует и такое понятие как лептонная асимметрия Вселенной (ЛАВ) – число электронов и нейтрино не равно числу позитронов и антинейтрино. Так как окружающее нас вещество может существовать только потому, что входящие в его состав барионы не находят партнеров для процессов аннигиляции – антибарионов, генерация БАВ представляет собой основное явление, предопределяющее структуру современной Вселенной. Ниже мы расскажем, как процесс генерации БАВ порождается взаимодействиями вакуумных структур.

Имеющиеся экспериментальные данные о взаимодействиях элементарных частиц заставляют приписать каждому нуклону так называемый сохраняющийся барионный заряд, антинуклонам приписывается барионный заряд противоположного знака. В процессах, происходящих с изменением числа частиц, барионный заряд сохраняется: если при соударении исходных частиц рождаются новые частицы, то среди родившихся частиц барионы и антибарионы присутствуют в равных количествах. Аналогичная сохраняющаяся характеристика – лептонный заряд – имеется и в мире лептонов, в число которых, в частности, входят электроны и нейтрино.

При повышении температуры космологической плазмы (то есть при рассмотрении эпох эволюции Вселенной, предшествующих современной), число фотонов в ней не увеличивается, возрастает только характерная энергия фотонов. Внимательный читатель, наверное, заметил, что сделанное утверждение справедливо лишь в том случае, если при повышении температуры не происходят фазовые переходы. Забыв на время о фазовых переходах, мы, тем не менее, должны учесть, что при повышении температуры плазмы в ней начинается процесс рождения пар частиц и античастиц. Для рождения пар необходимо, чтобы характерная тепловая энергия фотонов превысила энергию покоя пары «частица+античастица». Ясно, что такое рождение пар не нарушает параметров БАВ и ЛАВ, определяемых следующим образом: ; . В этих формулах – число фотонов в единице объема (их плотность), – плотности барионов и лептонов, – плотности антибарионов и антилептонов. Значение параметра БАВ, соответствующее современной Вселенной, известно из наблюдений: 10⁹. К сожалению, значение параметра ЛАВ неизвестно в силу ненаблюдаемости нейтринной компоненты. Если бы в космологической плазме не происходили фазовые переходы, то параметр сохранял бы свое значение на протяжении всей истории Вселенной. При фазовых переходах, однако, выделяется тепловая энергия, носителем которой являются фотоны. Если переход близок ко II роду, тепловыделение незначительно, при переходах же I рода, в частности, при кварк-адронном переходе, оно весьма заметно. Поэтому наблюдаемое сегодня значение имеет эволюционное происхождение, оно формируется в ходе всех РФП, по крайней мере, за счет увеличения плотности числа фотонов, то есть за счет увеличения числителя в формуле для .

А может ли измениться знаменатель в формуле для ? Казалось бы, странный вопрос – только что мы говорили о законе сохранения барионного заряда в процессах рождения и взаимодействия элементарных частиц. Если этот закон точный, то знаменатель формулы для остается неизменным. Впервые гипотезу о несохранении барионного заряда выдвинул А.Д.Сахаров в 1968 году. Это была смелая гипотеза, потому что не было никаких экспериментальных указаний в ее поддержку, и в то время не было и теоретических концепций, в рамках которых можно было бы ожидать эффекта несохранения барионного заряда. Сейчас прямых экспериментальных указаний на этот эффект нет по-прежнему, но теоретические концепции появились. Однако прежде чем их излагать, опишем три знаменитых условия Сахарова, при выполнении которых барионный заряд, равный нулю в момент рождения Вселенной, генерируется в ходе космологической эволюции. Эти условия таковы: