Объяснение барионной асимметрии Вселенной

Объяснение барионной асимметрии Вселенной

Эта, ставшая классической, работа 1967 года занимает всего 3 страницы журнального текста.[39] Суть проблемы в том, что, как считалось долгое время, теория элементарных частиц зарядово (CP) симметрична, частицы и античастицы, отличающиеся знаком заряда, во всех иных отношениях абсолютно тождественны. И поэтому возникает вопрос, почему во Вселенной наблюдаются галактики и звёзды, состоящие из барионов (протонов, нейтронов…), а антигалактик и антизвёзд, состоящих из антибарионов (антипротонов, антинейтронов) не наблюдается?

Если принять "горячую" теорию происхождения Веселенной, что, как говорилось, было доказано открытием в 1965 году "самого любимого" (А.Д. Сахаров) реликтового излучения, то в первые мгновения после "Большого взрыва" в условиях сверхвысокой температуры рождающиеся парами барионы и антибарионы были представлены в равных количествах. При понижении температуры, обусловленном расширением Вселенной, частицы и античастицы неизбежно аннигилируют, превращаясь в электромагнитное излучение. Именно это, первоначально очень горячее, а на сегодня охладившееся до примерно 3 градусов по Кельвину, реликтовое излучение заполняет равномерно всю Вселенную. Зная её объём, нетрудно подсчитать число фотонов в этом излучении — 10⁸⁷, а значит, столько было пар частица-античастица в первые мгновения, непосредственно перед аннигиляцией. В то же время число барионов в звёздах и галактиках составляет одну миллиардную часть указанного числа первичных пар. Откуда же возник этот "мусор", это ничтожное превышение материи над антиматерией вместо полной их аннигиляции, благодаря чему, среди прочего, появилась возможность возникновения жизни и наших с вами размышлений о тайнах мироздания?

В своей работе Сахаров сформулировал три условия, необходимых для возникновения при аннигиляции первоначально барионно-антибарионно симметричного горячего "бульона" указанного ничтожного "барионного осадка".

1)          Объяснение стало возможным после открытия С. Окубо эффекта нарушения комбинированной чётности (CP-чётности) в процессах рассеяния элементарных частиц. (Численные значения характеристик рассеяния некоторых частиц на 0,6% отличаются от характеристик пространственно (P) отражённого рассеяния их античастиц). На экземпляре своей работы, подаренном в 1967 году Е.Л. Фейнбергу, Сахаров написал стих собственного сочинения: "Из эффекта С. Окубо / при большой температуре / для Вселенной сшита шуба / по её косой фигуре".

2)          Остаточная барионная асимметрия при аннигиляции возможна только при нарушении симметрии при обращении времени, т.е. в динамических условиях сильной нестационарности, что имеет место по причине стремительного расширения Вселенной после "Большого взрыва".

3)          Для возникновения барионной асимметрии Вселенной необходимо предположить, что фундаментальная частица — протон нестабилен, имеет определённое время полураспада. Эта смелая гипотеза Сахарова, воспринятая коллегами как чистое безумие, как уже говорилось, естественно вошла в теоретическую физику в 1979 году в рамках Теории великого объединения. И тогда создатели этой теории вспомнили, что ведь Сахаров говорил об этом ещё 12 лет назад! Такое признание стало важным спасительным фактором в начале 1980 года, первые месяцы после ссылки, когда газеты клеймили Сахарова и писали, что он "выродился как учёный".[40] Распад протона предсказывается и в теориях суперсимметрии.

Но если, следуя Сахарову и указанным теориям, признать, что протон — этот основной "кирпичик мироздания" нестабилен, то почему же "мироздание" не распалось вместе с ним? Ответ прост, но и совершенно нетривиален. По оценкам, проведённым Сахаровым в работе 1967 года, для возникновения на начальной стадии существования Вселенной её наблюдаемой барионной асимметрии достаточно предположить, что протон нестабилен со временем жизни примерно 10⁵⁰ лет (в десять тысяч миллиард-миллиард-миллиард-миллиардов раз больше возраста Вселенной, порядок которого 10 миллиардов лет). В первоначальных моделях Теории великого объединения рассчитанный возраст протона был меньше и составлял "только" 10³⁰ лет. Ясно, что в любом варианте для нас такой протон практически вечен.

Удивительно, что эти немыслимо большие времена жизни протона допускают экспериментальную проверку. Идея опытов опять же проста. В одном кубометре воды содержится примерно 10³⁰ протонов, значит, если протон живёт в среднем именно такое число лет, то в течение года хотя бы один протон кубометра воды должен распасться. Если камеру с водой поместить глубоко под землёй (дабы исключить помехи вызванные проникновением космических лучей) и окружить её датчиками, реагирующими на факт распада протона, то можно таким образом зафиксировать даже единичное событие, например, распад хотя бы одного протона в течение года или 10 лет. В США такую установку (7000 тонн воды, окружённой 2000 фотоумножителей) разместили на месте бывших соляных копей под озером Эри в штате Огайо. Параллельно в Японии в подземной лаборатории Камиока был создан детектор, где 3000 тонн воды просматривались 1000 фотоумножителями. Однако к концу 80-х годов ни одного случая распада протона зафиксировано не было. В 1995 году японская группа построила новый детектор, увеличив массу воды до 50 000 тонн. Наблюдения продолжаются по сей день, но результат поисков распада протона по-прежнему отрицателен. Эти эксперименты с отрицательным результатом, не доказывают, что Сахаров был неправ, но исключили некоторые модели Теории великого объединения. Ведь Сахаров называл время жизни протона порядка 10⁵⁰ лет, а эксперимент пока что однозначно доказал, что это время жизни не менее 10³³ лет.

Обращаю внимание на некоторую методологическую параллель: в двухступенчатой конструкции водородной бомбы с использованием "Третьей идеи" возможность достижения искомого эффекта (срабатывания второй ступени и термоядерный взрыв) зависела от деталей процессов, протекающих за миллиардные доли секунды после подрыва атомной бомбы первой ступени. Получение искомой барионной асимметрии Вселенной зависит от деталей процессов (величина нарушения комбинированной чётности 0,6% в первом условии Сахарова, темп расширения Вселенной в момент аннигиляции частиц и античастиц во втором условии, очень большое, но всё-таки конечное определённой величины время жизни протона в третьем его условии) протекающих за ещё более короткое время в первые мгновения существования Вселенной. И при решении обеих этих задач, как и в других своих работах, Сахаров проводит расчёты и оценки, результатом которых становится точный численный ответ.

Наука, конечно, идёт вперёд, и после выхода пионерской работы Сахарова появилось много идей и направлений исследований по проблеме бариогенезиса (возникновения избытка барионов над антибарионами) на начальном этапе существования Вселенной, в том числе модель низкотемпературного бариогенезиса в рамках стандартной теории электрослабых взаимодействий (см. об этом, например, в комментарии В.А. Кузьмина в Собрании научных трудов Сахарова[41]).

В последние годы широко обсуждаются модели бариогенезиса на стадии “reheating” в моделях инфляции (раздувающаяся Вселенная). На характерном для этих моделей начальном почти экспоненциальном раздувании Вселенной "зануляются" по причине стремительного увеличения объёма любые неоднородности. В результате возникает универсальное вакуумно-подобное состояние с положительной гигантской энергией вакуума ("тёмной энергией"). "Жизнь" нашей наблюдаемой Вселенной начинается в момент распада этого универсального вакуумного состояния, превращения вакуумной энергии в горячую материю (отсюда термин "reheating"). Именно на этой стадии "срабатывают" три вышеуказанных условия Сахарова возникновения наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной. И на этом же этапе из начальных квантовых неоднородностей вакуума (а никаких других неоднородностей, как было сказано, на стадии раздувания быть не может) возникают те затравочные неоднородности вещества, из которых позже образовались галактики и звёзды. — О соответствующей работе Сахарова — см. в следующем разделе.