Удивительная Вселенная В.А. Рубакова. Часть 1: Почему наш мир состоит из частиц, а не античастиц?
В этой статье я напишу про идеи, фантастические и не очень, которые современные физики создают для объяснения удивительных свойств нашей Вселенной. Чтобы быть конкретным, я постараюсь разъяснить три идеи, предложенные Валерием Анатольевичем Рубаковым и его коллегами. В.А. Рубаков - сотрудник Института ядерных исследований РАН, один из самых цитируемых российских космологов. Я специально не стану ограничиваться наиболее значимыми результатами этого ученого (полный список см. на портале ИЯИ РАН), не буду касаться его взглядов на физику частиц и космологию (см. популярные статьи и лекции). Моя цель - описать ту смесь строгой математической логики, воображения и внезапных прозрений, которая приводит к появлению принципиально новых представлений о мире, в котором мы живем, дать почувствовать атмосферу свободы, творчества и тяжелой работы, в которой такие представления рождаются.
Бариогенезис.
Космология - раздел физики, изучающий структуру Вселенной и ее процесс рождения. Современному космологу мало объяснить лабораторные и астрофизические наблюдения, он должен рассказать, каким образом наблюдаемый мир возник и почему он обладает такими удивительными свойствами. Именно поэтому космология является самым фундаментальным (и самым молодым!) разделом физики, полным проблем, противоречий и тайн. Одной из этих тайн и посвящена первая глава моего рассказа.
Уже давно известно, что для любой частицы нашего мира существует античастица, обладающая такими же свойствами, но противоположным зарядом. Так как частицы и античастицы равноправны с точки зрения известных законов физики, возникает вопрос: как получилось, что наш мир практически полностью состоит из частиц материи, но не содержит античастиц? Есть ли новый закон, предпочитающий частицы по отношению к античастицам, или преобладание частиц - следствие крайне специальных начальных условий эволюции Вселенной? Данные вопросы еще ждут своего решения, хотя физики-теоретики уже предложили ряд интересных сценариев.
Некоторые читатели, возможно, не сталкивались раньше с понятием "античастица". Ведь античастицы не встречаются в обыденной жизни, хоть и производятся в больших количествах на ускорителях. Например, позитрон - античастица электрона. Он обладает такой же массой, что и электрон, но положительно заряжен (заряд электрона - отрицательный). Используя античастицы, можно построить антимир со свойствами, аналогичными свойствам нашего мира. Можно даже себе представить, что где-то во Вселенной притаились астероиды, полностью состоящие из антиматерии. Падение таких тел на Землю было бы крайне опасным: при столкновении частицы и античастицы аннигилируют, производя два фотона или вспышку γ-излучения:
Таким образом, килограммовый метеорит из антиматерии при падении на Землю исчезнет в γ-вспышке, произведя взрыв, примерно эквивалентный взрыву водородной бомбы. К счастью, несмотря на настойчивые поиски, никаких следов реликтовой антиматерии во Вселенной до сих пор не обнаружено, так что опасаться таких метеоритов пока не приходится.
Вернемся к вопросу, почему наш мир практически не содержит античастиц.
Давайте предположим, что антиматерия присутствовала когда-то давно, в ранней Вселенной. Сможем ли мы вычислить ее количество? Оказывается, да. Ведь если начальное количество частиц Nч во Вселенной превышало количество античастиц Nа, все античастицы встретили по парной частице и исчезли в процессе аннигиляции. Тогда сейчас античастиц уже нет вообще, Вселенная заполнена оставшимися Nч-Nа частицами и Nа фотонами, родившимися в результате аннигиляции. Эти последние фотоны образуют знаменитое реликтовое излучение, которое было предсказано Г.Гамовым и открыто А.Пензиасом и Р.В.Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия по физике - 1978). Количество Nа фотонов в реликтовом излучении очень велико: сейчас оно превышает количество атомов во Вселенной, составленных из частиц, на 9 порядков. Это означает, что в молодой Вселенной разность количеств частиц и античатиц Nч-Nа была на 9 порядков меньше, чем сами эти количества. Данный факт кажется крайне удивительным, ведь непросто объяснить, почему концентрация частиц была близка (но несколько превышала!) концентрацию античастиц.
Разумно предположить, что концентрации частиц и античастиц в новорожденной Вселенной были одинаковыми, а затем немножко изменились в результате некоторого процесса. Свойства последнего процесса были гениально предугаданы Андреем Дмитриевичем Сахаровым - советским физиком-теоретиком, изобретателем термоядерной бомбы и правозащитником.
Нам будут интересны лишь некоторые из этих свойств. Во-первых, процесс должен по-разному протекать для вещества и антивещества, ведь мы хотим произвести больше частиц, чем античастиц, да еще при том, что их начальные концентрации были равны. Во-вторых, процесс должен быть неравновесным, т.е. протекать взрывным образом. Это необходимо, т.к. в равновесии все концентрации выравниваются (как, к примеру, выравниваются концентрации молекул воздуха в разных частях комнаты). Необходимость получить разные концентрации диктует быстрый, взрывной характер процесса. Наконец, процесс должен переводить в частицы лишь малую часть античастиц, иначе Nч и Nа не будут близки.
Космологические процессы, генерирующие асимметрию между концентрациями частиц и античастиц, будем называть процессами бариогенезиса.
И тут на сцене появляется наш герой, точнее - герои, ведь В.А. Рубаков предложил первый сценарий бариогенезиса совместно с коллегами по ИЯИ РАН Михаилом Евгеньевичем Шапошниковым и Вадимом Алексевичем Кузьминым. В качестве неравновесного процесса они взяли процесс конденсации, или, как говорят физики, фазового перехода I рода.
Для существования такого процесса необходимо допустить наличие скалярного поля ρ - аналога плотности жидкости. Тогда при достаточно общих предположениях во Вселенной может существовать две фазы: высокотемпературная фаза ρ=0 ("пар") и низкотемпературная фаза ρ=v ("жидкость"). Пусть изначально скалярное поле находилось в высокотемпературной фазе ρ=0. Известно, что Вселенная расширяется, а при расширении температура любой системы падает. При некоторой достаточно низкой температуре фаза ρ=0 становится нестабильной, и начинается процесс конденсации: образуются капельки, внутри которых ρ=v, капельки расширяются и заполняют Вселенную.
В своей первоначальной работе три автора предполагали, что ρ - это поле Хиггса. Да-да, то самое знаменитое поле, кванты которого были недавно открыты на Большом адронном коллайдере (БАК). Но затем прямое вычисление показало, что хиггсовский бозон не имеет к ρ никакого отношения: масса mХиггс = 125 ГэВ/c2 слишком велика и не соответствует свойствам ρ. Хочется надеяться, что частица, связанная с ρ, будет вскоре открыта на БАК.
Итак, неравновесный процесс найден, авторам осталось лишь отыскать источник нарушения симметрии между материей и антиматерией. И вдруг оказалось, что дополнять модель уже ничем не надо: взаимодействий частиц и античастиц с полем ρ и электрослабыми полями уже достаточно для того, чтобы возникла разница между их концентрациями. Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим расширяющуюся каплю в момент фазового перехода и сделаем два наблюдения.
Первое наблюдение - результат прямого вычисления. Оно состоит в том, что частицы гораздо охотнее проникают внутрь капли, чем античастицы. Этот процесс сам по себе не приводит к бариогенезису, так как общие количества частиц и античастиц сохраняются. Но как следствие, внутри капли оказывается повышена концентрация частиц, а вне - концентрация античастиц. Второе наблюдение было сделано Ж. 'т Хофтом в 1976 году. Оно заключается в том, что обычные взаимодействия с электрослабыми полями, которые, вроде бы, не должны изменять разность количеств частиц и античастиц, на деле нарушают ее за счет тонких квантовых эффектов, называемых аномалией. Более того, такое нарушение является гораздо более эффективным в фазе ρ=0, т.е. вне капли. Так как любая система стремится к термодинамическому равновесию, в этой области излишняя концентрация античастиц исчезает. Итак, стенка капли пропускает больше частиц, чем античастиц, внутрь капли, а аномальные квантовые процессы действуют снаружи, выравнивая там концентрации частиц и античастиц. После того, как капли пожирают всю Вселенную, концентрация частиц в ней оказывается повышенной по сравнению с концентрацией античастиц. Тем самым, происходит бариогенезис.
Мне кажется, что описанная выше история крайне показательна. Непосвященному человеку должно казаться удивительным, что абсолютное доминирование материи над антиматерией в современной Вселенной вызвано безумно малой разницей их концентраций в далеком прошлом. И тем более удивительно то, что эта маленькая разница может сигнализировать о бурной стадии развития Вселенной, в которой в буквальном смысле шел дождь. Наконец, сразу видна фундаментальная связь между физикой частиц и космологией: для объяснения асимметрии между материей и антиматерией мы были вынуждены ввести новое скалярное поле, кванты которого можно надеяться обнаружить в экспериментах на ускорителях. И несомненно то, что данная задача еще далека от решения: пока не найдены новые частицы и не проверены законы, описывающие генезис материи в ранней Вселенной, остается место для новых открытий и великих свершений.
Дмитрий Левков
Научный сотрудник Института ядерных исследований РАН
Бариогенезис.
Космология - раздел физики, изучающий структуру Вселенной и ее процесс рождения. Современному космологу мало объяснить лабораторные и астрофизические наблюдения, он должен рассказать, каким образом наблюдаемый мир возник и почему он обладает такими удивительными свойствами. Именно поэтому космология является самым фундаментальным (и самым молодым!) разделом физики, полным проблем, противоречий и тайн. Одной из этих тайн и посвящена первая глава моего рассказа.
Уже давно известно, что для любой частицы нашего мира существует античастица, обладающая такими же свойствами, но противоположным зарядом. Так как частицы и античастицы равноправны с точки зрения известных законов физики, возникает вопрос: как получилось, что наш мир практически полностью состоит из частиц материи, но не содержит античастиц? Есть ли новый закон, предпочитающий частицы по отношению к античастицам, или преобладание частиц - следствие крайне специальных начальных условий эволюции Вселенной? Данные вопросы еще ждут своего решения, хотя физики-теоретики уже предложили ряд интересных сценариев.
Некоторые читатели, возможно, не сталкивались раньше с понятием "античастица". Ведь античастицы не встречаются в обыденной жизни, хоть и производятся в больших количествах на ускорителях. Например, позитрон - античастица электрона. Он обладает такой же массой, что и электрон, но положительно заряжен (заряд электрона - отрицательный). Используя античастицы, можно построить антимир со свойствами, аналогичными свойствам нашего мира. Можно даже себе представить, что где-то во Вселенной притаились астероиды, полностью состоящие из антиматерии. Падение таких тел на Землю было бы крайне опасным: при столкновении частицы и античастицы аннигилируют, производя два фотона или вспышку γ-излучения:
Таким образом, килограммовый метеорит из антиматерии при падении на Землю исчезнет в γ-вспышке, произведя взрыв, примерно эквивалентный взрыву водородной бомбы. К счастью, несмотря на настойчивые поиски, никаких следов реликтовой антиматерии во Вселенной до сих пор не обнаружено, так что опасаться таких метеоритов пока не приходится.
Вернемся к вопросу, почему наш мир практически не содержит античастиц.
Давайте предположим, что антиматерия присутствовала когда-то давно, в ранней Вселенной. Сможем ли мы вычислить ее количество? Оказывается, да. Ведь если начальное количество частиц Nч во Вселенной превышало количество античастиц Nа, все античастицы встретили по парной частице и исчезли в процессе аннигиляции. Тогда сейчас античастиц уже нет вообще, Вселенная заполнена оставшимися Nч-Nа частицами и Nа фотонами, родившимися в результате аннигиляции. Эти последние фотоны образуют знаменитое реликтовое излучение, которое было предсказано Г.Гамовым и открыто А.Пензиасом и Р.В.Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия по физике - 1978). Количество Nа фотонов в реликтовом излучении очень велико: сейчас оно превышает количество атомов во Вселенной, составленных из частиц, на 9 порядков. Это означает, что в молодой Вселенной разность количеств частиц и античатиц Nч-Nа была на 9 порядков меньше, чем сами эти количества. Данный факт кажется крайне удивительным, ведь непросто объяснить, почему концентрация частиц была близка (но несколько превышала!) концентрацию античастиц.
Разумно предположить, что концентрации частиц и античастиц в новорожденной Вселенной были одинаковыми, а затем немножко изменились в результате некоторого процесса. Свойства последнего процесса были гениально предугаданы Андреем Дмитриевичем Сахаровым - советским физиком-теоретиком, изобретателем термоядерной бомбы и правозащитником.
Нам будут интересны лишь некоторые из этих свойств. Во-первых, процесс должен по-разному протекать для вещества и антивещества, ведь мы хотим произвести больше частиц, чем античастиц, да еще при том, что их начальные концентрации были равны. Во-вторых, процесс должен быть неравновесным, т.е. протекать взрывным образом. Это необходимо, т.к. в равновесии все концентрации выравниваются (как, к примеру, выравниваются концентрации молекул воздуха в разных частях комнаты). Необходимость получить разные концентрации диктует быстрый, взрывной характер процесса. Наконец, процесс должен переводить в частицы лишь малую часть античастиц, иначе Nч и Nа не будут близки.
Космологические процессы, генерирующие асимметрию между концентрациями частиц и античастиц, будем называть процессами бариогенезиса.
И тут на сцене появляется наш герой, точнее - герои, ведь В.А. Рубаков предложил первый сценарий бариогенезиса совместно с коллегами по ИЯИ РАН Михаилом Евгеньевичем Шапошниковым и Вадимом Алексевичем Кузьминым. В качестве неравновесного процесса они взяли процесс конденсации, или, как говорят физики, фазового перехода I рода.
Для существования такого процесса необходимо допустить наличие скалярного поля ρ - аналога плотности жидкости. Тогда при достаточно общих предположениях во Вселенной может существовать две фазы: высокотемпературная фаза ρ=0 ("пар") и низкотемпературная фаза ρ=v ("жидкость"). Пусть изначально скалярное поле находилось в высокотемпературной фазе ρ=0. Известно, что Вселенная расширяется, а при расширении температура любой системы падает. При некоторой достаточно низкой температуре фаза ρ=0 становится нестабильной, и начинается процесс конденсации: образуются капельки, внутри которых ρ=v, капельки расширяются и заполняют Вселенную.
В своей первоначальной работе три автора предполагали, что ρ - это поле Хиггса. Да-да, то самое знаменитое поле, кванты которого были недавно открыты на Большом адронном коллайдере (БАК). Но затем прямое вычисление показало, что хиггсовский бозон не имеет к ρ никакого отношения: масса mХиггс = 125 ГэВ/c2 слишком велика и не соответствует свойствам ρ. Хочется надеяться, что частица, связанная с ρ, будет вскоре открыта на БАК.
Итак, неравновесный процесс найден, авторам осталось лишь отыскать источник нарушения симметрии между материей и антиматерией. И вдруг оказалось, что дополнять модель уже ничем не надо: взаимодействий частиц и античастиц с полем ρ и электрослабыми полями уже достаточно для того, чтобы возникла разница между их концентрациями. Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим расширяющуюся каплю в момент фазового перехода и сделаем два наблюдения.
Первое наблюдение - результат прямого вычисления. Оно состоит в том, что частицы гораздо охотнее проникают внутрь капли, чем античастицы. Этот процесс сам по себе не приводит к бариогенезису, так как общие количества частиц и античастиц сохраняются. Но как следствие, внутри капли оказывается повышена концентрация частиц, а вне - концентрация античастиц. Второе наблюдение было сделано Ж. 'т Хофтом в 1976 году. Оно заключается в том, что обычные взаимодействия с электрослабыми полями, которые, вроде бы, не должны изменять разность количеств частиц и античастиц, на деле нарушают ее за счет тонких квантовых эффектов, называемых аномалией. Более того, такое нарушение является гораздо более эффективным в фазе ρ=0, т.е. вне капли. Так как любая система стремится к термодинамическому равновесию, в этой области излишняя концентрация античастиц исчезает. Итак, стенка капли пропускает больше частиц, чем античастиц, внутрь капли, а аномальные квантовые процессы действуют снаружи, выравнивая там концентрации частиц и античастиц. После того, как капли пожирают всю Вселенную, концентрация частиц в ней оказывается повышенной по сравнению с концентрацией античастиц. Тем самым, происходит бариогенезис.
Мне кажется, что описанная выше история крайне показательна. Непосвященному человеку должно казаться удивительным, что абсолютное доминирование материи над антиматерией в современной Вселенной вызвано безумно малой разницей их концентраций в далеком прошлом. И тем более удивительно то, что эта маленькая разница может сигнализировать о бурной стадии развития Вселенной, в которой в буквальном смысле шел дождь. Наконец, сразу видна фундаментальная связь между физикой частиц и космологией: для объяснения асимметрии между материей и антиматерией мы были вынуждены ввести новое скалярное поле, кванты которого можно надеяться обнаружить в экспериментах на ускорителях. И несомненно то, что данная задача еще далека от решения: пока не найдены новые частицы и не проверены законы, описывающие генезис материи в ранней Вселенной, остается место для новых открытий и великих свершений.
Дмитрий Левков
Научный сотрудник Института ядерных исследований РАН