1) В фундаментальной физической теории должен существовать элементарный процесс на уровне частиц и вакуума, в котором не сохранялся бы барионный заряд частиц;

2)      этот процесс должен происходить обязательно в расширяющейся Вселенной, когда характерные энергии частиц и, следовательно, характерные времена процессов с изменением барионного заряда постепенно уменьшаются, чтобы возникшая асимметрия закреплялась;

3)      теория генерации БАВ должна быть СР несимметрична, то есть прямые процессы, приводящие к возникновению ненулевого барионного заряда, должны протекать несколько быстрее обратных процессов, в которых этот заряд исчезает (этот пункт условий тесно связан с первым).

В современной физике приняты следующие обозначения: операция С означает замену частиц на античастицы; операция Р осуществляет замену спиновых характеристик частиц на противоположные по знаку. Эти математическим операциям сопоставляются конкретные изменения в системе элементарных частиц. Это конструктивные операции. Кроме этих операций вводится еще и формальная математическая операция обращения времени, обозначаемая символом Т. Изменение хода времени, однако, является условным, в уравнениях теории возможно лишь формально изменить знак времени, точнее, координаты 4-мерного континуума, сопоставляемой времени. Оказывается, что теория элементарных частиц, основанная на квантовой теории поля, обязана быть СРТ-симметричной, т.е. одновременное применение к уравнениям всех вышеуказанных операций должно приводить к тем же уравнениям теории. Если бы по отдельности сохранялись СР- и Т- симметрии, то это соответствовало бы теории, в которой каждому процессу соответствовал бы обратный процесс, протекающий с той же скоростью, что и прямой. На самом деле природа устроена так, что по отдельности СР- и Т-симметрий нет – некоторые обратные процессы на самом деле идут с другой скоростью. В частности, для генерации БАВ необходимо, чтобы процесс генерации барионного заряда в системе частиц протекал с большей скоростью, чем процесс исчезновения барионного заряда из этой системы. Только в этом случае БАВ возникает в ходе космологической эволюции.

Отнюдь не сразу было понято, что все три условия Сахарова выполняются в существующей теории элементарных частиц (в СМ), синтезированной с однородными и изотропными космологическими моделями. Первоначально предполагалось, что генерация БАВ является задачей теории Великого Объединения, в которой различие между кварками и лептонами, с одной стороны, и электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями с другой сглаживается в области сверхвысоких энергий порядка 10¹⁵ – 10¹⁶ ГэВ (Великое Объединение частиц и взаимодействий обсуждалось ранее в Разделе 6 Части 1). Однако более детальные теоретические исследования показали, что эффект генерации БАВ имеет место и в СМ, правда, при условии, что структура ее вакуума в области электрослабого фазового перехода более сложна, чем это предполагалось изначально, и определяется не только возникновением ХК.

Разумеется, мы не можем полностью игнорировать возможность генерации БАВ на масштабе Великого Объединения. Однако в фундаментальной науке строго соблюдается принцип Оккама: новые гипотезы не вводятся без крайней на то необходимости. Любая проблема, прежде всего, должна быть изучена в рамках сложившихся и экспериментально подтвержденных концепций. Только в том случае, когда этих концепций недостаточно, привлекаются новые идеи. Поэтому на современном этапе развития экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц мы обязаны сначала полностью изучить возможности СМ и ее простейших обобщений в решении проблемы БАВ. Именно эти возможности мы сейчас и обсуждаем.

Рассмотрим вначале область высоких температур, существенно больших температуры электрослабого перехода Т_с = 100 ГэВ. ХК в этой области отсутствует; симметрия вакуума и плазмы относительно преобразований в электрослабых расслоениях пространства-времени является точной. Иными словами, соответствующие расслоения не деформированы. Деформации появятся только при температурах ниже 100 ГэВ. Но означает ли отсутствие деформаций и отсутствие вакуумных структур? Нет, не означает, и мы это видели на примере кварк-глюонного вакуума: хромомагнитный КГК существует даже при температурах, больших температуры конфайнмента. Структура этого конденсата определяется квантовыми топологическими флуктуациями в расслоениях, соответствующих хромодинамическому взаимодействию. Естественно возникает вопрос: а существуют ли при высоких температурах (больших температуры электрослабого перехода) квантово-топологические флуктуации, соответствующие слабому взаимодействию? Теоретический анализ показал, что при очень высоких температурах конденсат таких флуктуаций термодинамически невыгоден, но с приближением к температуре 100 ГэВ такой конденсат действительно возникает. Он получил название W-конденсата, буква W здесь указывает, что конденсат образован полями той же природы, кванты которых при низких энергиях мы воспринимаем как W- и Z-бозоны.

Следует подчеркнуть, что сегодня этот вывод имеет чисто теоретический характер и в ближайшее время его экспериментальная проверка не представляется возможной. Аналогичные конденсаты, соответствующие хромодинамическому взаимодействию, планируется изучить в Брукхейвенском эксперименте (см. Раздел 5 Части 1), это возможно, потому что они возникают при температурах, меньших 1 ГэВ. Плазму же с температурой порядка 100 ГэВ, где можно ожидать проявления конденсата квантово-топологических флуктуаций, соответствующих слабому взаимодействию, в обозримом будущем в лаборатории создать не удастся. Тем более важным представляется изучение космологических следствий существования такого конденсата, основным из которых является генерация БАВ.

Наиболее характерное свойство системы, испытывающей квантово-топологические переходы, состоит в том, что в этой системе квантовое топологическое число и барионный заряд не сохраняются по отдельности. Это связано с тем, что в топологически неэквивалентных вакуумах понятие частицы определяется по-разному, частице самой по себе невозможно приписать какие-либо характеристики, не указывая, в каком из вакуумов она существует. Квантовые процессы туннелирования между различными топологическими состояниями, приводящие к образованию W-конденсата, делают вообще неопределенными понятия топологического числа и барионного заряда. Но такая ситуация имеет место только до момента возникновения ХК, то есть до возникновения деформаций слоистой структуры, соответствующей слабому взаимодействию. В момент электрослабого перехода, имеющийся в системе W-конденсат начинает взаимодействовать с возникающим ХК. Кварки, взаимодействуя с ХК, приобретают ненулевые массы покоя, что имеет принципиальное значение для статуса топологически неэквивалентных состояний W полей – неразличимые до этого, теперь они становятся различимы. Каждое из возникших различных вакуумных состояний начинает принимать участие в формировании свойств системы. При этом закон сохранения барионнного заряда (разности между числом кварков и антикварков) видоизменяется с учетом существования топологически неэквививалентных состояний среды, в которой эти кварки существуют. Теперь в законы сохранения равноправно входят как разности чисел кварков и антикварков, так и разности топологических чисел W-вакуумов. Разумеется, в этой ситуации происходят интенсивные взаимодействия между частицами и вакуумом, которые сопровождаются обменами топологическими и барионными зарядами. Этот обмен, однако, продолжается недолго – лишь до тех пор, пока ХК не слишком велик и еще не очень сильно нарушает симметрию в расслоениях. Большой ХК подавляет квантово-топологические переходы, выделяя из всех состояний единственное, которое соответствует низкосимметричной фазе. Но к тому моменту, когда фиксация топологического состояния вакуума будет завершена, этому состоянию можно будет приписать определенный барионный заряд. При этом подсистема частиц получит барионный заряд противоположного знака, то есть в ней симметрия между барионами и антибарионами нарушится. Таким образом, барионная асимметрия вещества Вселенной выступает как следствие топологической и барионной асимметрии вакуума.

Описанные выше физические явления действительно приводят к генерации БАВ только при выполнении условий Сахарова. В рамках обсуждаемого механизма БАВ эти условия приобретают совершенно конкретный характер. Существование процесса, идущего с нарушением барионного заряда (первое условие), обеспечивается обменом барионным зарядом между плазмой и вакуумом. Расширение Вселенной (второе условие Сахарова) обеспечивает критический характер этих обменных процессов в области электрослабого фазового переход; в частности, резкое их затухание после перехода, приводящее к «замораживанию» барионной асимметрии плазмы. Однако достаточная интенсивность этих процессов в непосредственной окрестности фазового перехода достигается только в том случае, если этот переход имеет скачкообразный характер: ненулевой ХК должен при определенной температуре возникать скачком, а не плавно и непрерывно генерироваться, начиная от нулевого значения. Переход такого типа называется переходом I рода, близким ко II роду. Чем больше величина скачка, тем этот переход менее близок ко II роду. Наконец, отсутствие СР-симметрии, обеспечивающее различие в скоростях передачи барионного заряда от вакуума к частицам и наоборот (третье условие), также выполняется в Стандартной Модели. Правда, необходимо иметь в виду, что отсутствие СР-симметрии в СМ тесно связано с существованием 3-х поколений кварков и их смешиванием.

Почему же именно три поколения кварков необходимы для нарушения СР-симметрии? Вообще говоря, полный ответ на этот вопрос требует достаточно детальных знаний квантовой теории поля. Тем не менее, попробуем ответить на него без формул. Прежде всего, напомним, что частицы и античастицы имеют одинаковые массы покоя и одинаковые абсолютные значения зарядов всех типов; знаки зарядов для частиц и античастиц противоположны. Равенство числовых характеристик частиц и античастиц указывает на существование между ними определенной симметрии, которая позволяет описывать частицы и античастицы единым квантовым полем. А вот разбиение этого поля на поля частиц и античастиц формально математически производится неоднозначно. Если бы в СМ фигурировало только одно поколение кварков, то неким определенным образом мы разбили бы кварковые поля на поля кварков и антикварков и дальше работали бы в рамках проведенного разбиения. Любое разбиение единого поля на кварковую и антикварковую компоненты сохраняет СР-симметрию. Более сложная ситуация возникает, когда у нас имеется два кварковых поколения с идентичными свойствами по отношению к фундаментальному взаимодействию, то есть с идентичными наборами зарядов. Возникает вопрос: можно ли поля, принадлежащие к разным поколениям, независимо разбивать на кварковую и антикварковую компоненты с сохранением СР-симметрии? Ответ на этот вопрос не очевиден из общих соображений, но математика СМ показывает, что это возможно. Ситуация радикально меняется при появлении третьего кваркового поколения, обладающего теми же самыми фундаментальными зарядами. В этом случае понятие кварков и антикварков во всех трех поколениях становятся скоррелированными и, как следствие, взаимодействия кварк-антикварковых полей с ХК становятся СР-несимметричными.

Таким образом, факт существования трех поколений имеет абсолютно принципиальное значение для генерации БАВ. Это тем более удивительно, что наблюдаемая барионная асимметрия в современной Вселенной означает неравенство между числами нуклонов и антинуклонов, в состав которых входят только кварки и антикварки первого поколения. Представители второго и третьего поколений в стабильном состоянии в окружающей нас Вселенной не присутствуют. Казалось бы, их вообще можно вычеркнуть из теории, упростив ее, но, как мы видим, такая упрощенная теория перестала бы описывать наблюдаемый мир, она потеряла бы способность объяснить генерацию БАВ. Отметим также, что даже в теориях, описывающих генерацию БАВ на масштабе Великого Объединения, нарушение СР-симметрии происходит только при условии существования трех кварк-лептонных поколений.

Итак, когда речь идет о барионной асимметрии космологической плазмы элементарных частиц, мы не предполагаем исчезновения барионной симметрии Мира в целом. Физическая система состоит из сложной вакуумной системы, имеющей множество подсистем, и сложной системы частиц, также содержащей множество подсистем. Для всей этой системы в целом барионная симметрия сохраняется. Однако различные подсистемы, входящие в ее состав, взаимодействуют и способны обмениваться друг с другом своими характеристиками. Барионная асимметрия в мире вещества возникает постольку, поскольку возникает барионная асимметрия вакуума.

Как видно, существующая теория элементарных частиц предлагает нам вполне определенную картину возникновения барионной асимметрии. Но можем ли мы быть уверены в том, что эта теоретическая картина соответствует реальности? Ответ на этот вопрос сводится к количественным вычислениям и сопоставлению результатов вычислений с наблюдательными данными. В ходе вычислений мы должны использовать количественные характеристики хиггсовского вакуума, к сожалению, однако, эти характеристики как раз и неизвестны. Мы получим их только после экспериментального открытия и изучения всех свойств хиггсовских бозонов. Особенно важно узнать величину массы ХБ, а также установить, действительно ли нарушение СР-симметрии возникает в результате взаимодействия трех кварковых поколений с хиггсовским вакуумом. Таким образом, обнаружение ХБ является не только приоритетной задачей физики элементарных частиц (результат решения этой задачи предопределит дальнейшее развитие фундаментальной физики, см. Раздел 6 первой части), но и позволит понять природу БАВ, как ключевого физического явления, формирующего свойства современной Вселенной. Именно БАВ является тем фактором, который обеспечивает возникновение в Мире структур материи, рождение галактик, звезд, планет и, в конце концов, Жизни и Разума.

В условиях недостатка информации мы можем оценивать ситуацию только на основе экспериментальных ограничений на массу ХБ. К сожалению, по мере того, как экспериментальная нижняя граница массы ХБ поднималась все выше (сейчас известно, что M_H > 105 ГэВ), таяли наши надежды на то, что решение проблемы БАВ может быть найдено в рамках простейшей версии СМ с одним электрически нейтральным ХБ. Дело обстоит так, что при большой массе этого ХБ эффективной генерации БАВ не происходит, потому что в этом случае область электрослабого перехода сильно размыта, и хиггсовский конденсат в ней порождается непрерывно. Образно говоря, в такой модели не происходит сильный «удар» по вакууму, закрепляющий барионную асимметрию плазмы. Не следует, впрочем, оценивать этот результат пессимистично. Напротив, как мы уже говорили в Разделе 6 первой части, почва для пессимистических настроений появится в том случае, если структура вакуума на электрослабом масштабе окажется столь простой, что для ее описания будет достаточно однокомпонентного ХК. В физике частиц мы как раз надеемся обнаружить более сложную структуру вакуума, которая откроет нам пути исследования по суперструнной или преонной программам.

Процесс теоретического исследования генерации БАВ в вариантах СМ с многокомпонентной структурой хиггсовского вакуума еще далеко не завершен. Сейчас можно сказать лишь о том, что в этих вариантах СМ картина фазовых переходов на электрослабом масштабе существенно более сложна, чем вышеописанная. Здесь имеется целая цепочка разнообразных фазовых переходов, детали которой сильно зависят от параметров теории. Об этих параметрах сегодня мы знаем совсем мало, для их установления необходимо экспериментально обнаружить и изучить, по крайней мере, 5 хиггсовских бозонов (в рамках суперструнной программы), или же обнаружить внутреннюю структуру кварков и лептонов (в рамках преонной программы).

Итак, мы использовали Стандартную Модель частиц и взаимодействий для обсуждения космологических явлений на двух характерных масштабах – электрослабом (100 ГэВ) и кварк-адронном (200 МэВ). В обоих случаях теория не только проясняет характер космологической эволюции, но и формулирует целый ряд проблем, решение которых придется искать уже в XXI веке. Определенно ясно лишь то, что прогресс в исследовании этих проблем должен и может быть основан только на достижениях физики вакуума и элементарных частиц.