|
|
Основные космологические эффекты Стандартной Модели элементарных частиц.
Создание и экспериментальная проверка Стандартной Модели элементарных частиц открыли новые главы космологии. Появилась возможность в уравнения изотропной Вселенной (в правую часть уравнений Эйнштейна, содержащую тензор энергии- импульса квантовых полей) включить известную информацию о свойствах частиц и взаимодействий. Космологические решения уравнений Эйнштейна описывают нестационарную Вселенную, в которой в процессе расширения остывание плазмы сопровождается несколькими перестройками структуры физического вакуума. Но, прежде чем описывать эти явления, остановимся сначала на специфических свойствах этого решения – присущих ему формальной неограниченности температуры и плотности космологической плазмы и кривизны пространства-времени. Как уже отмечалось выше, теория расширяющейся Вселенной предсказывает наличие сингулярности – точки на временной шкале, в которой плотность энергии плазмы, ее температура обращаются в бесконечность, как и кривизна пространства-времени. Формально математически момент сингулярности соответствует моменту рождения Мира. Продолжить эти космологические решения за сингулярную точку математически невозможно. В рамках этой теории в точке сингулярности Вселенная рождается вместе с веществом. Изменения количества вещества в дальнейшем незначительны, и могут быть учтены в рамках теории элементарных частиц. Проблема первых мгновений жизни Вселенной – это отдельная космологическая проблема, которая так и называется – проблема рождения Вселенной. Ее мы обсудим отдельно. Космологическая теория, в которой учитываются хорошо известные свойства частиц и взаимодействий в 4-мерном пространстве-времени, начинается с того момента, когда температура космологической плазмы примерно равна 1 ТэВ. Это соответствует области энергий частиц, адекватно описывающейся СМ. Мы ранее уже говорили (см. Разделы 3, 6 и 7 первой части книги), что СМ неизбежно должна быть расширена и обобщена. На основе известных экспериментальных данных можно быть уверенным, что расширения и обобщения нужны для описания явлений, происходящих при энергиях, заметно больших 1 ТэВ. При меньших же энергиях, как кажется, СМ работает неплохо, хотя и это может стать неверным при дальнейшем прогрессе эксперимента. В настоящее же время прямые экспериментальные данные, неинтерпретируемые в рамках СМ, отсутствуют. Что же такое энергия в 1 ТэВ? Во Вселенной температура в 1 ТэВ достигается через 10-14 сек от момента космологической сингулярности. Заметим, что по множеству астрономических наблюдений мы уверены, что возраст Вселенной порядка 12-15 млрд. лет. У нас имеется Стандартная Модель частиц и взаимодействий, которая описывает эволюцию Вселенной, начиная от 10-14 сек, до, примерно, 15 млрд. лет. Но при этом у нас нет теории, которая описывала бы эволюцию от сингулярности, t=0, до границы применимости СМ, t=10-14 сек! С точки зрения здравого смысла кажется, что особых проблем в космологии нет, «интуиция подсказывает», что можно легко пренебречь малой величиной 10-14 сек. Казалось бы, что особенного могло произойти за этот малый промежуток времени? В этом рассуждении имеется достаточно простой парадокс – при обсуждении эволюции объектов мы интуитивно пользуемся так называемым биологическим временем, которое имеет свой собственный масштаб. Он определяется характерными временами протекания процессов внутри человеческого мозга. Эти характерные времена заполняют шкалу от атомно-молекулярных времен 10-8 сек до времени порядка 100 лет, что соответствует длительности человеческой жизни. Такие масштабы нужны для классификации событий, происходящих внутри нас, макроскопических существ, состоящих из частиц с небольшими энергиями – порядка нескольких электрон-вольт. Но эту же шкалу времени невозможно использовать для обсуждения явлений, происходящих во Вселенной при очень высоких плотностях и температурах. Чем выше плотность плазмы и ее температура, тем чаще происходят взаимодействия частиц друг с другом, т.е. различные события. О длительности промежутка времени нужно говорить именно на основании числа произошедших за это время событий. Можно быть уверенным, что за время от t=0 до t=10-14 сек событий произошло даже больше, чем от t=10-14 сек до наших дней. К этому выводу нас приводит современная теория, точнее, ее разумная экстраполяция в область высоких энергий. Поэтому проблема рождения Вселенной, ее эволюция от сингулярности до энергий порядка 1 ТэВ представляет собой отдельную и очень серьезную научную проблему. В этот промежуток времени и сформировались основные ключевые свойства наблюдаемой Вселенной. В остальное время лишь принимало конкретные формы все то, что потенциально было заложено к моменту времени, соответствующего энергиям в 1 ТэВ. Такую реконструкцию событий мы можем провести достаточно полно на основе существующей теории.
4.1.Фазовые переходы в космологической плазме и физическом вакууме.
Для космологической плазмы температура Тс = 100 ГэВ (примерно 1015 К) является выделенной, в определенном смысле даже критической. Дело в том, что при очень высоких температурах, больших Тс, существование ХК энергетически невыгодно. Геометрическая структура расслоений пространства-времени, соответствующих слабому взаимодействию, при таких температурах не деформирована. При отсутствии деформаций все частицы, составляющие космологическую плазму, не имеют массы покоя. Такое состояние плазмы (без ХК) называется высокосимметричным. Однако при понижении температуры до Тс высокосимметричное состояние становится неустойчивым, поэтому в вакууме обязательно образуется ХК и, как следствие, существенно изменяются свойства элементарных частиц и термодинамические свойства плазмы в целом. Новое состояние плазмы называется низкосимметричным. В низкосимметричной фазе частицы уже имеют ненулевые массы покоя. Правда, значения этих масс отличаются от тех, которые мы измеряем в современном эксперименте. Это связано с тем, что ХК, возникший в высокотемпературной плазме при Т=Тс, еще далек от того состояния, которое он приобретает при температурах, близких к нулю. Массы же частиц, как мы знаем, возникают в результате взаимодействия квантовых полей с ХК. Описанные изменения состояния вакуума и плазмы элементарных частиц, происходящие при Т=Тс, называются релятивистским фазовым переходом (РФП) из высокосимметричной фазы в низкосимметричную. Честь теоретического открытия РФП принадлежит российским физикам Д.А.Киржницу и А.Д.Линде. Как показали дальнейшие исследования, процессы РФП играют ключевую роль в формировании наблюдаемых свойств Вселенной. Прежде чем обсуждать космологические последствия РФП, отметим, что вышеописанная картина РФП с образованием ХК является неполной. В этой картине учитываются эффекты, нарушающие симметрию расслоений пространства-времени, соответствующих электромагнитным и слабым взаимодействиям, но не содержатся весьма важные физические явления, связанные с квантово-топологическими свойствами расслоений пространства-времени. К счастью у нас есть возможность детально изучить квантово-топологические свойства расслоений на примере другого РФП, о неизбежности которого нам достоверно известно. Речь идет о фазовом переходе в кварк-глюонной плазме при температурах порядка Т0=200 МэВ. Заметим, что величина Т0 примерно в 500 раз меньше температуры, при которой образуется ХК. В реальной Вселенной переход кварк-глюонной плазмы в адронную фазу происходит при охлаждении плазмы. Для удобства рассуждений рассмотрим обратный процесс – кварк-адронный переход при нагревании адронной плазмы. При низких температурах адронная плазма в основном состоит из протонов, нейтронов и пи-мезонов. Отметим, что все перечисленные частицы, будучи составными, имеют конечные размеры – их диаметр порядка 10-13 см. При нагревании плазмы число частиц в ней увеличивается за счет рождения пионных пар, поэтому в более горячей плазме частицы находятся в среднем ближе друг к другу. Естественно, рано или поздно возникает ситуация, когда характерное расстояние между адронами становится порядка их собственных размеров. Теория надежно предсказывает, что это происходит как раз при температуре Т0 = 200 МэВ. Ясно, что при более высоких температурах уже нельзя говорить об адронах как об индивидуальных объектах. Они сливаются друг с другом, и кварки, входящие в их состав, коллективизируются, то есть, не привязаны к конкретным адронам, а принадлежат Вселенной в целом. Процесс коллективизации кварков сопровождается рождением большого количества глюонов, их число определяется условиями термодинамического равновесия. Возникающая при этом система называется кварк-глюонной плазмой (КГП). Заметим, что выше мы описали процесс, который планируется воспроизвести в небольших масштабах в лабораторном (Брукхейвенском) эксперименте. Как было показано в Разделе 5 первой части, этот процесс сопровождается перестройкой структуры кварк-глюонного вакуума. Напомним, что внутриадронный вакуум и внеадронный вакуум имеют различные дионные структуры – внеадронный вакуум есть скоррелированная система дионов, каждый из которых несет как хромоэлектрический, так и хромомагнитный заряд, а внутриадронный вакуум состоит из дионных комплексов, в которых хромоэлектрические заряды скомпенсированы, но хромомагнитные заряды отличны от нуля. Ясно, что после слияния адронов и коллективизации кварков дионные структуры, соответствующие внеадронному вакууму, исчезают, сохраняются только структуры, характерные для внутриадронного вакуума. При дальнейшем повышении температуры энергетически невыгодным становится и существование хромомагнитных дионных комплексов, они разрушаются, после чего КГП уже сильно напоминает обычный идеальный газ. Разрушение хромомагнитных дионных комплексов представляет собой еще один РФП, он происходит, по-видимому, при температуре Т1 = 500 МэВ. Вернемся теперь к реальной Вселенной, которая охлаждается в ходе расширения. При понижении температуры до 500 МэВ идеальный кварк-глюонный газ, существующий на фоне бесструктурного вакуума, переходит в кварк-глюонную плазму, взаимодействующую с КГК, состоящим из хромомагнитных дионных комплексов. В таком состоянии плазма находится вплоть до температуры Т0 = 200 МэВ, при которой расстояния между кварками и глюонами становятся порядка размеров адрона. При еще более низких температурах кварки и глюоны не могут существовать в виде отдельных частиц, перемещающихся на макроскопические расстояния. Деколлективизация кварков, то есть их распределение по отдельным адронам, сопровождается перестройкой кварк-глюонного вакуума. При температурах, больших Т0, вакуум имел в основном хромомагнитную структуру, дионы собирались в комплексы с нулевым хромоэлектрическим зарядом, именно поэтому кварки и глюоны могли перемещаться на макроскопические расстояния во Вселенной. При меньшей температуре эти комплексы перестраиваются, возникает структура, которая существует и в настоящее время жизни Вселенной, а движение свободных кварков и глюонов уже невозможно. Происходят одновременно два процесса: 1) кварки и глюоны образуют адроны; 2) вакуум приобретает иную дионную структуру, соответствующую фазе конфайнмента. Эти явления одинаково важны и интересны как для физики, так и для космологии. Один из вопросов физики кварк-адронного фазового перехода обсуждался ранее в Разделе 5 Части 1 в связи с Брукхейвенским экспериментом: дионная структура вакуума, возникающая в ходе кварк-адронного перехода, абсолютно стабильна или может быть метастабильной? Напомним, что существование во Вселенной высокоэнергетических частиц, способных при соударениях порождать КГП, практически однозначно приводит к выводу, что в наблюдаемой части Вселенной кварк-глюонный вакуум имеет стабильную дионную структуру. Тем не менее, некоторые загадки остаются. Может ли быть создан “пузырек” метастабильного вакуума в эксперименте, типа проводящегося в Брукхейвене? То есть, могут ли в области кварк-адронного перехода образовываться метастабильные области вакуума, стабилизированные содержащимся внутри них веществом? Если да, то каково же время жизни таких метастабильных конфигураций? Из общих соображений ясно, что, если возможно существование различных дионных структур вакуума (из которых одна стабильны, а прочие –– метастабильны или нестабильны), то в процессе кварк-адронного перехода могут возникать области метастабильных конфигураций. Насколько долго они живут? Современное состояние знаний о кварк-глюонном вакууме пока не позволяет предсказать времена жизни метастабильных конфигураций. Эти времена могут лежат в интервале от атомных до космологических времен. Точнее теория пока не может сказать ничего. Может быть, что-то прояснит Брукхейвенский эксперимент – если будут обнаружены сгустки КГП, можно будет оценить времена жизни таких образований в зависимости от их материальной “начинки”. Метастабильные состояния кварк-глюонного вакуума, если они действительно существуют в природе, могут существенно повлиять на космологические последствия кварк-адронных переходов. РФП на энергетических масштабах Тс = 100 ГэВ (с образованием ХК), Т1 = 500 МэВ и Т0 = 200 МэВ (с образованием и перестройкой КГК) предсказываются существующей теорией элементарных частиц – Стандартной Моделью. Характерным следствием любого из этих РФП является возникновение неоднородностей, обусловленное аномальным ростом термодинамических флуктуаций параметров вакуума и плазмы элементарных частиц. Вопрос состоит в том, могут ли эти флуктуации иметь отношение к крупномасштабной структуре Вселенной, может ли их эволюция во времени привести к образованию этой крупномасштабной структуры? Ответ на этот вопрос зависит от того, какие пространственные размеры имеют такие флуктуации. При оценке этих размеров часто используется понятие так называемого горизонта событий. Выше мы уже неоднократно отмечали, что космологические модели содержат особую точку, сингулярность, которая формально сопоставляется моменту рождения Вселенной. Расстояние, которое проходит свет за время от сингулярности до интересующей нас эпохи эволюции Вселенной, называется горизонтом событий этой эпохи. Простые соображения как будто бы с неизбежностью приводят к выводу о том, что причинно связанными могут быть лишь события, лежащие внутри горизонта. Применительно к флуктуациям, возникающим в области РФП, это означает, что характерные масштабы флуктуаций не могут превышать размеры горизонта на момент РФП. В рамках таких представлений следует признать, что пространственные размеры флуктуаций, возникающих в окрестности всех фазовых переходов, предсказываемых СМ, слишком малы, чтобы иметь отношение к крупномасштабной структуре Вселенной. Ситуация, однако, не столь однозначна. Дело в том, что даже имеющиеся наблюдательные данные прямо указывают, что причинно-следственные отношения в ранней Вселенной охватывали области, размеры которых многократно превышали размеры горизонта. В противном случае сегодня мы не наблюдали бы Вселенную однородной и изотропной в среднем. Противоречие между наблюдениями и упрощенным взглядом на процесс установления причинно-следственных связей во Вселенной, основанным только на свойствах сингулярных фридмановских решений уравнений Эйнштейна, носит название проблемы горизонта. Решение этой проблемы ищется в физике ранней и сверхранней Вселенной. Мы коснемся этой проблемы в Разделах 2 и 3 третьей части, а сейчас просто примем, как факт, что размер горизонта на момент РФП не имеет отношения к характерному пространственному масштабу, на котором имеют место причинно-следственные связи. В этом случае вполне можно допустить, что пространственные размеры флуктуаций, возникающих в окрестностях РФП, сопоставимы с параметрами крупномасштабной структуры Вселенной. Это утверждение, однако, сегодня нельзя рассматривать, как научно достоверное, его судьба будет определяться прогрессом в понимании физики ранней и сверхранней Вселенной. Как мы уже неоднократно отмечали, эволюция Вселенной начинается от состояния с очень большими (формально даже бесконечными) значениями температуры и плотности космологической плазмы. Поэтому неизбежно возникает вопрос о физических явлениях, имевших место при более высоких энергиях, находящихся за рамками СМ. С достаточной долей уверенности можно сделать два утверждения. Во-первых, очевидно, что во Вселенной происходило множество РФП на самых различных энергетических масштабах. Во-вторых, все новые РФП принадлежат к одному их двух типов, аналог которых существует уже в СМ: это либо переходы с образованием ХК, либо переходы с образованием квантово-топологических структур. Однако для изучения РФП, происходящих за пределами СМ, необходимо выяснить, по какому пути пошла Природа: суперструнному или преонному? В Разделах 6, 7 первой части эти альтернативные пути развития фундаментальной физической теории уже обсуждались достаточно подробно. Напомним, что эти альтернативы различаются представлениями о микроструктуре физического вакуума: в суперструнном варианте теории вакуумные подсистемы в основном состоят из объектов типа ХК, а в преонном варианте – из объектов типа КГК. Поэтому необходимо иметь в виду различия в характере и космологических последствиях двух типов РФП. РФП с образованием ХК принадлежит к так называемым фазовым переходам II рода или, по крайней мере, к переходам, близким ко II роду. Для таких переходов характерна непрерывность или почти непрерывность преобразований свойств вакуума и частиц (ниже мы будем использовать термин квазинепрерывность). В высокосимметричной и низкосимметричной фазах мы имеем один и тот же набор квантовых полей, только в высокосимметричной фазе эти поля не взаимодействуют с ХК (по причине отсутствия последнего), а в низкосимметричной фазе – взаимодействуют. Сам ХК квазинепрерывно возникает в процессе РФП, вследствие чего свойства частиц, взаимодействующих с ХК, изменяются также квазинепрерывно. Квазинепрерывность перехода II рода ограничивает его макроскопические последствия – к вышеописанной генерации флуктуаций в области такого РФП практически добавить нечего. Второй из обсужденных выше РФП – кварк-адронный переход с образованием и перестройкой КГК – принадлежит к совершенно другому типу. Это так называемый фазовый переход I рода, при котором скачкообразно возникают новые свойства системы. В частности, при этом переходе кварки и глюоны как носители энергии плазмы исчезают, их место занимают составные адроны. Характерная особенность фазового перехода I рода состоит в том, что область перехода на температурной шкале является достаточно широкой, в этой области возможно сосуществование пространственно разделенных различных фаз. Если система, испытывающая фазовый переход, имеет не только стабильные, но и метастабильные состояния, то последние также могут возникать и некоторое время существовать в окрестности перехода. Рано или поздно «островки» метастабильных фаз исчезнут, однако их исчезновение сопровождается мощным энерговыделением. Возможную природу метастабильных конфигураций в области кварк-адронного перехода выше мы уже обсуждали. Если такие конфигурации действительно существовали, то космологическим последствием их распада стало бы заметное увеличение числа фотонов по отношению к барионам.
4.2. Барионная асимметрия Вселенной.
Современная Вселенная состоит из фотонов, нейтрино, электронов и барионов. Фотонную компоненту мы наблюдаем непосредственно, изучая реликтовое излучение Вселенной. Выше уже отмечалось, что реликтовое излучение содержит важнейшую информацию о том, что на ранних стадиях космологической эволюции Вселенная была однородной, изотропной и очень горячей. Нейтринная компонента также могла бы предоставить большое количество информации о свойствах ранней Вселенной, но, к сожалению, сегодня в нашем распоряжении нет методов регистрации реликтовых нейтрино. Тем не менее, мы уверены в существовании реликтовых нейтрино, поскольку нейтринная компонента Вселенной надежно предсказывается экспериментально проверенной СМ. Относительно электронов и барионов (последние входят в состав атомных ядер) нам достоверно известно, что полный электрический заряд этих частиц, содержащихся в наблюдаемой части Вселенной, равен нулю. Это возможно только в том случае, если число электронов точно равно числу протонов. Отметим, что, характеризуя состав современной Вселенной, мы не говорили об античастицах – позитронах и антибарионах. Нет никаких наблюдательных данных, которые свидетельствовали бы о существовании заметного количества антибарионов в наблюдаемой части Вселенной. Об этом факте говорят как о барионной асимметрии Вселенной (БАВ). Вообще говоря, существует и такое понятие как лептонная асимметрия Вселенной (ЛАВ) – число электронов и нейтрино не равно числу позитронов и антинейтрино. Так как окружающее нас вещество может существовать только потому, что входящие в его состав барионы не находят партнеров для процессов аннигиляции – антибарионов, генерация БАВ представляет собой основное явление, предопределяющее структуру современной Вселенной. Ниже мы расскажем, как процесс генерации БАВ порождается взаимодействиями вакуумных структур. Имеющиеся экспериментальные данные о взаимодействиях элементарных частиц заставляют приписать каждому нуклону так называемый сохраняющийся барионный заряд, антинуклонам приписывается барионный заряд противоположного знака. В процессах, происходящих с изменением числа частиц, барионный заряд сохраняется: если при соударении исходных частиц рождаются новые частицы, то среди родившихся частиц барионы и антибарионы присутствуют в равных количествах. Аналогичная сохраняющаяся характеристика – лептонный заряд – имеется и в мире лептонов, в число которых, в частности, входят электроны и нейтрино. При повышении температуры космологической плазмы (то есть при рассмотрении эпох эволюции Вселенной, предшествующих современной), число фотонов в ней не увеличивается, возрастает только характерная энергия фотонов. Внимательный читатель, наверное, заметил, что сделанное утверждение справедливо лишь в том случае, если при повышении температуры не происходят фазовые переходы. Забыв на время о фазовых переходах, мы, тем не менее, должны учесть, что при повышении температуры плазмы в ней начинается процесс рождения пар частиц и античастиц. Для рождения пар необходимо, чтобы характерная тепловая энергия фотонов превысила энергию покоя пары «частица+античастица». Ясно, что такое рождение пар не нарушает параметров БАВ и ЛАВ, определяемых следующим образом: А может ли измениться знаменатель в формуле для 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 Тс = 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 ра<
Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)... Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала... Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
; 
. В этих формулах 
– число фотонов в единице объема (их плотность), 
– плотности барионов и лептонов, 
– плотности антибарионов и антилептонов. Значение параметра БАВ, соответствующее современной Вселенной, известно из наблюдений: 
»109. К сожалению, значение параметра ЛАВ неизвестно в силу ненаблюдаемости нейтринной компоненты. Если бы в космологической плазме не происходили фазовые переходы, то параметр 
