Bất đối xứng Baryon – Wikipedia

Posted on by lordneo

Trong vật lý, vấn đề baryon bất đối xứng còn được gọi là vấn đề bất đối xứng hoặc vấn đề hoặc mất cân bằng trong vật chất baryonic (loại vật chất có kinh nghiệm trong cuộc sống hàng ngày) và vật chất kháng thể trong vũ trụ quan sát được. Không phải mô hình chuẩn của vật lý hạt, cũng không phải là lý thuyết tương đối tổng quát cung cấp một lời giải thích đã biết về lý do tại sao điều này nên như vậy, và đó là một giả định tự nhiên rằng vũ trụ là trung tính với tất cả các điện tích được bảo tồn. [3] Vụ nổ lớn phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Vì điều này dường như không phải là trường hợp, nên có khả năng một số định luật vật lý phải có hành động khác hoặc không tồn tại đối với vật chất và phản vật chất. Một số giả thuyết cạnh tranh tồn tại để giải thích sự mất cân bằng của vật chất và phản vật chất dẫn đến sự phát sinh baryogen. Tuy nhiên, vẫn chưa có lý thuyết đồng thuận để giải thích hiện tượng này. Như đã nhận xét trong một bài báo nghiên cứu năm 2012, "Nguồn gốc của vật chất vẫn là một trong những bí ẩn lớn trong vật lý." [4]

Điều kiện Sakharov [ chỉnh sửa ]

Năm 1967, Andrei Sakharov đề xuất [19659007] một bộ ba điều kiện cần thiết mà một tương tác tạo ra baryon phải đáp ứng để tạo ra vật chất và phản vật chất ở các tốc độ khác nhau. Những điều kiện này được lấy cảm hứng từ những khám phá gần đây về bức xạ nền vũ trụ [6] và vi phạm CP trong hệ thống kaon trung tính. [7] Ba "điều kiện Sakharov" cần thiết là:

Vi phạm số Baryon [ chỉnh sửa ]

Vi phạm số Baryon rõ ràng là điều kiện cần thiết để sản xuất vượt quá số baryon so với chống baryon. Nhưng vi phạm đối xứng C cũng cần thiết để các tương tác tạo ra nhiều baryon hơn các baryon sẽ không bị đối trọng bởi các tương tác tạo ra nhiều baryon hơn baryon. Vi phạm đối xứng CP cũng được yêu cầu tương tự vì nếu không, số lượng baryon thuận tay trái và baryon thuận tay phải sẽ được tạo ra, cũng như số baryon chống tay trái và baryon thuận tay phải bằng nhau. Cuối cùng, các tương tác phải ở ngoài trạng thái cân bằng nhiệt, vì nếu không thì đối xứng CPT sẽ đảm bảo bù giữa các quá trình tăng và giảm số baryon. [8]

Hiện tại, không có bằng chứng thực nghiệm nào về tương tác hạt trong đó việc bảo toàn số baryon bị phá vỡ một cách nhiễu loạn: điều này dường như cho thấy rằng tất cả các phản ứng hạt quan sát có số baryon bằng nhau trước và sau. Về mặt toán học, bộ chuyển đổi của toán tử lượng tử số baryon với Mô hình chuẩn (nhiễu loạn) là số không:

[ B H ] = 19659021] H – H B = 0 { displaystyle [B,H] = BH-HB = 0}

. Tuy nhiên, Mô hình Chuẩn được biết là vi phạm việc bảo tồn số baryon chỉ không gây nhiễu: một dị thường U (1) toàn cầu. Để giải thích cho sự vi phạm baryon trong quá trình sinh tổng hợp, các sự kiện như vậy (bao gồm cả sự phân rã proton) có thể xảy ra trong Các lý thuyết thống nhất lớn (GUT) và các mô hình siêu đối xứng (SUSY) thông qua các boson giả định như boson giả thuyết.

Vi phạm đối xứng CP [ chỉnh sửa ]

Điều kiện thứ hai để tạo ra sự bất đối xứng baryon – vi phạm đối xứng ngang giá – là một quá trình có thể xảy ra ở một tỷ lệ khác đối tác phản vật chất của nó. Trong Mô hình chuẩn, vi phạm CP xuất hiện dưới dạng một pha phức tạp trong ma trận trộn quark của tương tác yếu. Cũng có thể có một pha vi phạm CP khác không trong ma trận trộn neutrino, nhưng điều này hiện không được đo lường. Vi phạm CP lần đầu tiên được quan sát thấy trong thí nghiệm Fitch-Cronin năm 1964 với các kaon trung tính, dẫn đến giải thưởng Nobel vật lý năm 1980 (vi phạm CP trực tiếp, đó là vi phạm đối xứng CP trong quá trình phân rã, được phát hiện sau đó, năm 1999) . Do tính đối xứng CPT, vi phạm đối xứng CP yêu cầu vi phạm đối xứng đảo ngược thời gian, hoặc đối xứng T. Mặc dù có trợ cấp cho vi phạm CP trong Mô hình Chuẩn, nhưng không đủ để tính đến sự bất đối xứng baryon quan sát được của vũ trụ với các giới hạn về vi phạm số baryon, có nghĩa là cần có các nguồn Mô hình chuẩn.

Một nguồn vi phạm CP mới có thể được tìm thấy tại Máy va chạm Hadron lớn (LHC) bởi sự hợp tác LHCb trong ba năm đầu hoạt động LHC (bắt đầu tháng 3 năm 2010). Thí nghiệm đã phân tích sự phân rã của hai hạt, Lambda dưới cùng ( b 0 ) và phản hạt của nó, và so sánh sự phân bố của các sản phẩm phân rã. Dữ liệu cho thấy sự bất cân xứng lên tới 20% số lượng nhạy cảm vi phạm CP, ngụ ý phá vỡ tính đối xứng CP. Phân tích này sẽ cần được xác nhận bằng nhiều dữ liệu hơn từ các lần chạy tiếp theo của LHC. [9]

Các tương tác ngoài trạng thái cân bằng nhiệt [ chỉnh sửa ]

Trong kịch bản phân rã cân bằng, [10] điều kiện cuối cùng nói rằng tốc độ của một phản ứng tạo ra sự bất đối xứng baryon phải nhỏ hơn tốc độ giãn nở của vũ trụ. Trong tình huống này, các hạt và các phản hạt tương ứng của chúng không đạt được trạng thái cân bằng nhiệt do sự giãn nở nhanh làm giảm sự xuất hiện của sự hủy cặp.

Các giải thích khác [ chỉnh sửa ]

Các khu vực của vũ trụ nơi phản vật chất chiếm ưu thế [ chỉnh sửa ]

là vật chất và phản vật chất về cơ bản được phân tách thành các khu vực khác nhau, được phân tách rộng rãi trong vũ trụ. Sự hình thành của các thiên hà phản vật chất ban đầu được cho là giải thích sự bất đối xứng baryon, vì từ xa, các nguyên tử phản vật chất không thể phân biệt được với các nguyên tử vật chất; cả hai đều tạo ra ánh sáng (photon) theo cùng một cách. Tuy nhiên, dọc theo ranh giới giữa các vùng vật chất và phản vật chất, sự hủy diệt (và sự sản sinh bức xạ gamma tiếp theo) sẽ có thể được phát hiện, tùy thuộc vào khoảng cách của nó và mật độ của vật chất và phản vật chất. Ranh giới như vậy, nếu chúng tồn tại, có thể sẽ nằm trong không gian liên thiên hà sâu. Mật độ vật chất trong không gian giữa các thiên hà được thiết lập hợp lý ở mức khoảng một nguyên tử trên một mét khối. [11][12] Giả sử đây là mật độ điển hình gần một ranh giới, có thể tính được độ chói của tia gamma của vùng tương tác biên. Không có khu vực như vậy đã được phát hiện, nhưng 30 năm nghiên cứu đã đặt ra giới hạn về khoảng cách chúng có thể. Trên cơ sở các phân tích như vậy, hiện tại có vẻ như không có bất kỳ khu vực nào trong vũ trụ quan sát được bị chi phối bởi phản vật chất. [4]

Một nỗ lực giải thích sự thiếu giao diện quan sát giữa vật chất và phản vật chất bị chi phối các vùng là chúng được phân tách bằng một lớp Leidenfrost của vật chất rất nóng được tạo ra bởi năng lượng được giải phóng từ sự hủy diệt. Điều này tương tự như cách nước có thể được tách ra khỏi một tấm nóng bằng một lớp hơi bốc hơi, làm trì hoãn sự bay hơi của nhiều nước hơn.

Khoảnh khắc lưỡng cực điện [ chỉnh sửa ]

Sự hiện diện của mômen lưỡng cực điện (EDM) trong bất kỳ hạt cơ bản nào sẽ vi phạm cả đối xứng (P) và đối xứng thời gian (T). Như vậy, EDM sẽ cho phép vật chất và phản vật chất phân rã ở các tốc độ khác nhau dẫn đến sự bất cân xứng giữa vật chất và phản vật chất có thể xảy ra như quan sát ngày nay. Nhiều thí nghiệm hiện đang được tiến hành để đo EDM của các hạt vật lý khác nhau. Tất cả các phép đo hiện đang phù hợp với không có thời điểm lưỡng cực. Tuy nhiên, kết quả đặt ra những hạn chế nghiêm ngặt về mức độ vi phạm đối xứng mà một mô hình vật lý có thể cho phép. Giới hạn EDM gần đây nhất, được công bố vào năm 2014, là Hợp tác ACME, đã đo EDM của electron bằng cách sử dụng chùm xung của các phân tử thorium monoxide (ThO). [13]

Tham số bất đối xứng Baryon ]

Những thách thức đối với các lý thuyết vật lý sau đó là giải thích làm thế nào để tạo ra ưu tiên này của vật chất đối với phản vật chất, và cả độ lớn của sự bất đối xứng này. Một bộ định lượng quan trọng là tham số bất đối xứng ,

Đại lượng này liên quan đến chênh lệch mật độ số tổng thể giữa baryon và kháng thể (n B và n B và mật độ số của bức xạ nền vũ trụ photon n γ .

Theo mô hình Big Bang, vật chất được tách ra khỏi bức xạ nền vũ trụ (CBR) ở nhiệt độ khoảng 3000 kelvin, tương ứng với động năng trung bình của 3000 K / ( 10,08 × 10 3 K / eV ] 0,3 eV . Sau khi tách, tổng số tổng số số lượng photon CBR không đổi. Do đó, do sự giãn nở không-thời gian, mật độ photon giảm. Mật độ photon ở nhiệt độ cân bằng T trên mỗi cm khối, được cho bởi

với k B là hằng số Boltzmann, ħ là hằng số Planck chia cho 2π và c là tốc độ ánh sáng trong chân không và (3) là Hằng số của Apéry. Ở nhiệt độ photon CBR hiện tại là 2.725 K điều này tương ứng với mật độ photon n γ khoảng 411 photon CBR trên mỗi centimet.

Do đó, tham số bất đối xứng η, như được định nghĩa ở trên, là không phải là tham số "tốt". Thay vào đó, tham số bất đối xứng ưa thích sử dụng mật độ entropy s,

bởi vì mật độ entropy của vũ trụ vẫn không đổi hợp lý trong hầu hết quá trình tiến hóa của nó. Mật độ entropy là