Решён
Почему частиц на порядок больше, чем античастиц?

Изучаю космологию на уровне научпопа и уперся в вопрос бариогенезиса.

Если при Большом взрыве материя и антиматерия должны были родиться в равных количествах, откуда взялся наблюдаемый дисбаланс? Вроде бы на каждый миллиард пар частица-античастица приходится одна лишняя частица материи, и именно из этого "остатка" состоит вся Вселенная.

Я понимаю что есть условия Сахарова, CP-нарушение и все такое. Но стандартная модель вроде бы не дает достаточного CP-нарушения чтобы объяснить наблюдаемую асимметрию. То есть проблема до сих пор не решена?

Может кто из физиков объяснить, какие сейчас основные кандидаты на объяснение? Лептогенезис, электрослабый бариогенезис, что то из BSM физики?

Решение
67
Эксперт • 5 ответов

Да, проблема открыта. Коротко по текущему состоянию дел.

Условия Сахарова (1967) ты знаешь: 1) нарушение барионного числа, 2) нарушение C и CP, 3) отклонение от теплового равновесия. Все три нужны одновременно.

Стандартная модель формально содержит все три ингредиента. Барионное число нарушается через сфалеронные процессы (нелинейные переходы в электрослабом секторе, 't Hooft 1976). CP-нарушение есть в CKM-матрице. Отклонение от равновесия теоретически обеспечивается электрослабым фазовым переходом.

Проблема в количестве. CP-нарушение в CKM слишком мало. Параметр Джарлскуга (J ~ 310^-5) дает асимметрию порядка eta ~ 10^-18, а наблюдаемая eta ~ 610^-10. Разница на 8 порядков. Плюс электрослабый фазовый переход в SM при массе хиггса 125 ГэВ - кроссовер, а не фазовый переход первого рода. Нет пузырей, нет отклонения от равновесия.

Основные BSM кандидаты:

Электрослабый бариогенезис (EWBG)
Расширяем хиггсовский сектор (добавляем второй дублет, синглет, или суперсимметричных партнеров). Делаем фазовый переход первого рода. Новые CP-фазы в расширенном скалярном секторе дают достаточное нарушение. Проблема: LHC пока не нашел ни второго хиггса, ни суперпартнеров. Пространство параметров сужается с каждым годом.

Лептогенезис (Fukugita, Yanagida 1986)
Самый популярный сейчас. Тяжелые правые нейтрино (массы 10^9 - 10^15 ГэВ) распадаются с CP-нарушением в ранней Вселенной. Создается лептонная асимметрия, которая через сфалеронные процессы частично конвертируется в барионную. Красиво вписывается в механизм seesaw для масс нейтрино. Главная проблема: энергетический масштаб недоступен для коллайдеров. Прямая проверка невозможна, только косвенная через параметры нейтринных осцилляций (DUNE, Hyper-K ищут CP-фазу дельта в PMNS-матрице).

Бариогенезис через Аффлека-Дайна
Суперсимметричный сценарий. Плоские направления в скалярном потенциале SUSY переносят большой заряд барионного числа. При инфляции скалярное поле смещается, потом осциллирует и распадается, генерируя асимметрию. Изящно, но привязано к SUSY, которая под давлением LHC.

GUT бариогенезис
Классический сценарий Великого объединения. Тяжелые X- и Y-бозоны (массы ~10^16 ГэВ) распадаются с нарушением B. Проблема: требует очень высокую температуру ребита после инфляции, что может перепроизводить гравитино или магнитные монополи.

Есть еще экзотика: спонтанный бариогенезис Коэна-Каплана, бариогенезис через черные дыры, но это совсем маргинальные идеи.

Отвечая на твой вопрос прямо: нет, проблема не решена. Лептогенезис - фаворит теоретиков, но экспериментальных подтверждений ноль. Ближайшая надежда - измерение CP-фазы в нейтринном секторе. Если DUNE или Hyper-K увидят значимое CP-нарушение в осцилляциях, это будет косвенным аргументом за лептогенезис, но не доказательством.

Аватар Игорь Лебедев

Спасибо за развернутый обзор. Про Аффлека-Дайна не знал вообще, пойду копать. А по лептогенезису - какие сроки у DUNE по дельта CP? Там вроде 2030+?

Аватар Ирина Диетолог

DUNE Far Detector начнет набирать данные ~2029-2030. Для значимого измерения дельта нужно 5-7 лет экспозиции, то есть результаты ~2035+. Hyper-K в Японии может быть чуть раньше, у них бим уже есть.

43
Эксперт • 2 ответа

Если совсем на пальцах для тех кто зашел по запросу без бэкграунда.

Представь что при рождении Вселенной появился миллиард пар "плюс-минус". Плюс и минус встречаются и аннигилируют, превращаясь в свет. Но почему то на каждый миллиард пар был один лишний "плюс" без пары. Все пары уничтожили друг друга и превратились в фотоны (это реликтовое излучение, его можно измерить). А оставшийся один "плюс" из миллиарда - это вся материя которую мы видим. Все звезды, планеты, люди.

Почему был этот лишний "плюс" - никто достоверно не знает. Выше написан отличный обзор теорий.

5
Эксперт • 3 ответа

А почему все уверены что антиматерии мало? Может она просто собралась в другой части Вселенной. Антигалактики где нибудь за горизонтом наблюдений. Мы же видим только маленький кусочек.

Аватар Артём Ювелирный

Если бы существовали области антиматерии, на границах с областями материи шла бы аннигиляция. Мы бы видели мощнейшее гамма-излучение с этих границ. Его нет. Данные Fermi LAT и AMS-02 на МКС ставят очень жесткие ограничения на долю антиматерии в наблюдаемой Вселенной. Ее практически нет.

21
Участник • 1 ответ

Существует вообще-то элегантная идея что антиматерия никуда не делась, а просто идет назад во времени. CPT-теорема гарантирует симметрию, и если T инвертировано, античастицы могли "уйти" в прошлое от момента Большого взрыва. Вселенная зеркально симметрична относительно t=0: наша половина из материи идет вперед, анти-половина - назад.

Latham Boyle, Kieran Finn и Neil Turok из Perimeter Institute опубликовали модель CPT-симметричной Вселенной в 2018. Там даже темная материя объясняется правыми нейтрино из антивселенной. Красивая штука, хотя и спекулятивная.

14
Эксперт • 1 ответ

Чет каждый раз когда читаю про бариогенезис ощущение что физики говорят "мы не знаем" очень красивыми словами на протяжении уже 60 лет

Написать ответ

Премодерация гостей

Вы отвечаете как гость. Ваш ответ будет скрыт до проверки модератором. Чтобы ответ появился сразу и вы получали репутацию — войдите в аккаунт.

Будьте вежливы и соблюдайте правила платформы.