Baryon asimetrisi - Baryon asymmetry

Gelen fiziksel kozmoloji , baryon asimetri olarak da bilinen sorun, madde asimetri sorununa veya madde-antimadde asimetrisi problemi, gözlenen dengesizlik olduğunu baryonik madde ve (günlük yaşamda yaşanan maddenin türü) antibaryonic konuda içinde gözlemlenebilir evrenin . Ne standart modelin bir parçacık fiziğinin , ne teorisi genel görelilik bu neden böyle bir bilinen bir açıklama sağlar ve evrenin tüm korunmuş ile nötr olduğunu doğal bir varsayımdır ücretleri . Büyük Patlama eşit miktarda üretilen olmalıydı madde ve antimadde . Durum böyle olmadığı için, madde ve antimadde için bazı fiziksel kanunların farklı şekilde hareket etmiş olması veya hiç olmaması muhtemeldir . Baryogenez ile sonuçlanan madde ve antimadde dengesizliğini açıklamak için birbiriyle yarışan birkaç hipotez mevcuttur . Bununla birlikte, fenomeni açıklamak için henüz bir fikir birliği teorisi yoktur. 2012 araştırma makalesinde belirtildiği gibi, "Maddenin kökeni, fizikteki en büyük gizemlerden biri olmaya devam ediyor."

Sakharov koşulları

1967'de Andrei Sakharov , madde ve antimaddeyi farklı oranlarda üretmek için baryon üreten bir etkileşimin yerine getirmesi gereken üç gerekli koşul kümesini önerdi . Bu koşullar, kozmik arka plan radyasyonunun ve nötr kaon sistemindeki CP ihlalinin son keşiflerinden ilham aldı . Gerekli üç "Sakharov koşulu" şunlardır:

Baryon sayısı ihlali. ${\görüntüleme stili B}$
C-simetri ve CP-simetri ihlali.
Termal denge dışı etkileşimler .

Baryon sayısı ihlali

Baryon sayısı ihlali, anti-baryonlara göre fazla baryon üretmek için gerekli bir koşuldur. Ancak, anti-baryonlardan daha fazla baryon üreten etkileşimlerin, baryonlardan daha fazla anti-baryon üreten etkileşimlerle dengelenmemesi için C-simetri ihlali de gereklidir. CP-simetri ihlali de benzer şekilde gereklidir, çünkü aksi takdirde eşit sayıda solak ve sağlak anti-baryon ve ayrıca eşit sayıda sol-elli anti-baryon ve sağ-elli baryon üretilecektir. Son olarak, etkileşimler termal dengenin dışında olmalıdır, aksi takdirde CPT simetrisi , baryon sayısını artıran ve azaltan süreçler arasında telafiyi garanti eder.

Şu anda, baryon sayısının korunumunun pertürbatif olarak bozulduğu parçacık etkileşimlerine dair deneysel bir kanıt yoktur : bu, gözlemlenen tüm parçacık reaksiyonlarının önce ve sonra eşit baryon sayısına sahip olduğunu düşündürür. Matematiksel olarak, (pertürbatif) Standart Model hamiltonian ile baryon sayısı kuantum operatörünün komütatörü sıfırdır: . Bununla birlikte, Standart Modelin baryon sayısının korunumunu sadece pertürbatif olmayan bir şekilde ihlal ettiği bilinmektedir: global bir U(1) anomalisi. Baryogenezdeki baryon ihlalini hesaba katmak için, bu tür olaylar (proton bozunması dahil), Büyük Birleşme Teorileri (GUT'ler) ve süpersimetrik ( SUSY ) modellerde X bozonu gibi varsayımsal masif bozonlar aracılığıyla meydana gelebilir . ${\görüntüleme stili [B,H]=BH-HB=0}$

CP-simetri ihlali

Baryon asimetrisi oluşturmanın ikinci koşulu -yük paritesi simetrisinin ihlali- bir sürecin antimadde karşılığına göre farklı bir hızda gerçekleşebilmesidir. Gelen Standart model , CP ihlali karmaşık bir faz olarak görünür kuark karıştırma matrisi arasında zayıf etkileşimi . Nötrino karıştırma matrisinde CP'yi ihlal eden sıfır olmayan bir faz da olabilir , ancak bu şu anda ölçülmemiştir. Bir dizi temel fizik ilkesinde ihlal edilecek ilk şey, Chien-Shiung Wu'nun deneyi yoluyla denklikti . Bu, 1964 Fitch-Cronin deneyinde nötr kaonlarla CP ihlalinin doğrulanmasına yol açtı , bu da 1980 Nobel Fizik Ödülü ile sonuçlandı (doğrudan CP ihlali, yani bir bozunma sürecinde CP simetrisinin ihlali, daha sonra, 1999'da keşfedildi) . CPT simetrisi nedeniyle, CP simetrisinin ihlali, zaman ters çevirme simetrisinin veya T-simetrisinin ihlalini gerektirir . Standart Modelde CP ihlaline izin verilmesine rağmen, baryon sayısı ihlali limitleri göz önüne alındığında, evrenin gözlemlenen baryon asimetrisini hesaba katmak yetersizdir, bu da Standart Modelin ötesinde kaynaklara ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir .

CP ihlali Olası bir yeni kaynak yerinde bulundu Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) tarafından LHCb LHC operasyonları (Mart 2010 tarihinden başlayarak) ilk üç yıl boyunca işbirliği. Deney, iki parçacığın, alt Lambda (Λ _b⁰ ) ve onun antiparçacığının bozunumlarını analiz etti ve bozunma ürünlerinin dağılımlarını karşılaştırdı. Veriler, CP-simetrisinin kırılması anlamına gelen, CP ihlaline duyarlı miktarların %20'sine kadar bir asimetri gösterdi. Bu analizin, sonraki LHC çalışmalarından daha fazla veri ile teyit edilmesi gerekecektir.

Termal denge dışı etkileşimler

Denge dışı bozulma senaryosunda, son koşul, baryon-asimetri oluşturan bir reaksiyon hızının, evrenin genişleme hızından daha az olması gerektiğini belirtir. Bu durumda, parçacıklar ve bunlara karşılık gelen karşı parçacıklar, çift-yok olma oluşumunu azaltan hızlı genişleme nedeniyle termal dengeye ulaşmazlar.

Diğer açıklamalar

Evrenin antimaddenin hakim olduğu bölgeleri

Görünür baryon asimetrisinin bir başka olası açıklaması, madde ve antimaddenin esasen evrenin farklı, oldukça uzak bölgelerine ayrılmasıdır . Antimadde galaksilerinin oluşumunun başlangıçta baryon asimetrisini açıkladığı düşünülüyordu, çünkü uzaktan bakıldığında antimadde atomları madde atomlarından ayırt edilemezdi; ikisi de aynı şekilde ışık (foton) üretir. Bununla birlikte, madde ve antimadde bölgeleri arasındaki sınır boyunca, mesafeye ve madde ile antimaddenin yoğunluğuna bağlı olarak , yok olma (ve müteakip gama radyasyonu üretimi ) tespit edilebilir olacaktır. Bu tür sınırlar, eğer varsalar, muhtemelen derin galaksiler arası uzayda yer alacaklardır. Galaksiler arası uzaydaki maddenin yoğunluğu, metreküp başına yaklaşık bir atomda oldukça iyi belirlenmiştir. Bunun bir sınıra yakın tipik bir yoğunluk olduğu varsayılarak, sınır etkileşim bölgesinin gama ışını parlaklığı hesaplanabilir. Böyle bir bölge tespit edilmedi, ancak 30 yıllık araştırmalar ne kadar uzak olabileceklerine dair sınırlar koydu. Bu tür analizlere dayanarak, gözlemlenebilir evrendeki herhangi bir bölgenin antimadde tarafından domine edilmesinin olası olmadığı kabul ediliyor.

Madde ve antimaddenin hakim olduğu bölgeler arasındaki gözlemlenebilir arayüzlerin eksikliğini açıklamaya yönelik bir girişim, bunların yok olmaktan salınan enerji tarafından yaratılan çok sıcak maddeden oluşan bir Leidenfrost tabakasıyla ayrılmasıdır . Bu, daha fazla suyun buharlaşmasını geciktirerek, suyun buharlaştırılmış bir buhar tabakası ile sıcak bir plakadan ayrılabilmesine benzer.

Elektrik dipol momenti

Herhangi bir temel parçacıkta bir elektrik dipol momentinin (EDM) varlığı, hem parite (P) hem de zaman (T) simetrilerini ihlal eder. Bu nedenle, bir EDM, madde ve antimaddenin farklı oranlarda bozunmasına izin vererek, bugün gözlemlenen olası bir madde-antimadde asimetrisine yol açacaktır. Şu anda çeşitli fiziksel parçacıkların EDM'sini ölçmek için birçok deney yürütülmektedir. Tüm ölçümler şu anda dipol momenti olmadan tutarlıdır. Bununla birlikte, sonuçlar, fiziksel bir modelin izin verebileceği simetri ihlali miktarına katı kısıtlamalar getirmektedir. 2014'te yayınlanan en son EDM limiti, toryum monoksit (ThO) moleküllerinin darbeli bir ışını kullanarak elektronun EDM'sini ölçen ACME Collaboration'ın limitiydi.

Baryon asimetri parametresi

Fizik teorilerinin karşı karşıya olduğu güçlükler , maddenin antimaddeye üstünlüğünün nasıl üretileceğini ve ayrıca bu asimetrinin büyüklüğünü açıklamaktır . Önemli bir niceleyici asimetri parametresidir ,

\eta ={\frac {n_{B}-n_{\bar {B}}}{n_{\gamma }}}.

Bu nicelik, baryonlar ve antibaryonlar arasındaki toplam sayı yoğunluğu farkı ( sırasıyla n _B ve n _B ) ve kozmik arka plan radyasyon fotonlarının sayı yoğunluğu n _{γ ile ilgilidir} .

Big Bang modeline göre, madde kabaca bir sıcaklıkta kozmik arka plan radyasyonundan (CBR) ayrıldı. ortalama kinetik enerjiye karşılık gelen 3000 kelvin3000 bin / (10.08 × 10 ³ K/eV ) =0,3 eV . Ayrıştırmadan sonra toplam CBR foton sayısı sabit kalır. Bu nedenle, uzay-zaman genişlemesi nedeniyle foton yoğunluğu azalır. Santimetre küp başına denge sıcaklığında T foton yoğunluğu , ile verilir

n_{\gamma }={\frac {1}{\pi ^{2}}}\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\sağ)^{3} \int _{0}^{\infty }{\frac {x^{2}}{e^{x}-1}}\,dx={\frac {2\zeta (3)}{\pi ^ {2}}}\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\sağ)^{3}\yaklaşık 20.3\left({\frac {T}{1{\text{K) }}}}\sağ)^{3}{\text{cm}}^{-3},

ile k _B olarak Boltzmann sabiti , H olarak Planck sabitesi 2 bölünür $tt$ ve c vakumda ışık hızı gibi, ve Ç (3) apéry sabiti . Mevcut CBR foton sıcaklığında2.725 K , bir foton yoğunluğu n Bu tekabül _y santimetre küp başına yaklaşık 411 CBR fotonların.

Bu nedenle, asimetri parametresi η yukarıda tanımlandığı gibi, bir değil, "iyi" parametresi. Bunun yerine, tercih edilen asimetri parametresi entropi yoğunluğunu kullanır s ,

\eta _{s}={\frac {n_{B}-n_{\bar {B}}}{s}}

çünkü evrenin entropi yoğunluğu, evriminin çoğu boyunca makul ölçüde sabit kalmıştır. entropi yoğunluğu

s\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\mathrm {entropi} }{\mathrm {hacim}}}={\frac {p+\rho }{T} }={\frac {2\pi ^{2}}{45}}g_{*}(T)T^{3}

ile p ve p'ye enerji yoğunluğu ile ilgili basınç ve yoğunluk olarak tensör T _μν ve g _* "kütlesiz" parçacıklar için serbestlik derecesi etkin sayısı (mademki mc ² « k _B, T tutan) sıcaklıkta T ,

g_{*}(T)=\sum _{i=\mathrm {bosonlar} }g_{i}\left({\frac {T_{i}}{T}}\sağ)^{3} +{\frac {7}{8}}\sum _{j=\mathrm {fermiyonlar} }g_{j}{\left({\frac {T_{j}}{T}}\sağ)}^{ 3}

,

ile bozonları ve fermiyonlar için gr _i ve g _j sıcaklıklarda serbestlik derecesi T _ı ve T _j sırasıyla. Şu anda, s = 7.04 n _y .

Languages

In other projects