Барионная асимметрия

Драма идей в познании природы

Естественно предположить, что в начале расширения линейные размеры Вселенной a₀ были порядка планковских (10^-33 сантиметра), и плотность вещества была порядка планковской. Тогда и масса всего вещества была порядка планковской, 10^-5 грамма. Если даже это вещество состояло целиком из покоящихся нуклонов, общее число их было ничтожно, порядка 10¹⁹ штук. Еще меньшее число получится, если учесть принцип Паули и движение нуклонов.

В настоящее время нет никаких оснований думать, что где-то существуют антигалактики. Они проявлялись бы в аннигиляционном излучении на стыках между галактиками и антигалактиками, а также в сплошных пустых областях, отделяющих области, заполненные веществом от областей с антивеществом. Ничего подобного не наблюдается!

При высокой температуре, несомненно, было много барионов и антибарионов. Однако несмотря на усилия многих теоретиков, не удалось найти механизм, который разделял бы барионы и антибарионы в астрономических масштабах.

Таким образом, и наблюдения, и расчеты, относящиеся к той стадии, на которой физика нам хорошо понятна, приводят к такой картине: на стадии kT³m_pc² Вселенная заполнена равновесной плазмой с большим количеством барионов и антибарионов - но все же везде есть небольшой (порядка 10^-9) избыток числа барионов над числом антибарионов (этот избыток образуется уже после инфляционной стадии).

В ходе охлаждения остается только этот избыток, все остальные барионы аннигилируют с антибарионами. Именно так получается современный средний состав Вселенной, где в среднем на один барион приходится 10⁹-10¹⁰ фотонов. В этом смысле барионов мало (отношение концентрации барионов и фотонов, обозначаемое B/g, составляет 10⁹-10¹⁰).

Подсчитаем теперь общее количество барионов в наблюдаемой области Вселенной (шар радиусом порядка c/H=6000 мегапарсеков). Объем равен 3·10⁸⁵ сантиметров кубических, плотность около 3·10^-7, итого общее количество барионов около 10⁷⁸. Это огромная величина, по сравнению с максимальным начальным количеством порядка 10¹⁹.

Итак, астрономические соображения приводят к неизбежному выводу, что Вселенная переживала период, когда барионный заряд не сохранялся! Речь идет не о тривиальном процессе рождения и аннигиляции барион-антибарионных пар. Такой процесс уже 30 лет наблюдается в лаборатории. Этот процесс сохраняет барионный заряд. Но астрономия доказывает, что могли - должны были! - рождаться отдельные барионы (без антибарионов). По общим принципам квантовой теории это означает также, что возможен самопроизвольный, спонтанный, распад протона, например, на позитрон и нейтральный пион, или мюон и пион. Нестабилен также и нейтрон. Более того, возможен распад не только свободных, но и связанных нейтронов и протонов. С этой точки зрения любая форма обычной материи должна быть радиоактивной.

В начале 1980-ых годов среди физиков-экспериментаторов возник ажиотаж, неистовое соревнование - кто первый откроет самопроизвольный, радиоактивный распад протонов. Опыты ставили главным образом с большими резервуарами воды. Воду легче очистить от примеси обычных радиоактивных веществ. Продукты распада дают в воде черенковское излучение, и благодаря прозрачности воды это излучение (его часть, приходящуюся на видимый свет) можно улавливать в толстом слое воды. Рекордный опыт состоял в наблюдении 10000 тонн воды в течение двух лет, в шахте, под толстым слоем горной породы, уменьшающей фон космических лучей. Не было зарегистрировано ни одного распада! Это значит, что время жизни протона больше, чем 10³² лет. Такой результат создает определенные трудности для простейшего варианта теории.

И все же теоретики убеждены в том, что в очень экзотических условиях ранней Вселенной тем или иным способом рождение барионов происходило. Здесь особенно важно подчеркнуть, что нет векторного поля, которое было бы связано с барионами так, как электромагнитное поле связано с электрическим зарядом.

Выше отмечалось, что сама структура уравнений Максвелла исключает, запрещает несохранение электрического заряда. Вот такого абсолютного запрета несохранения барионного заряда нет, поскольку нет соответствующего поля. Современная физика придерживается точки зрения: "Все, что не запрещено, происходит". Раньше господствующая точка зрения была: "Все, что не доказано опытом, не существует".

Сегодняшняя точка зрения вместе с доводами астрономии доказывает несохранение барионов. При сверхвысоких температурах характерное время процесса распада бариона может быть ничтожным - порядка 10^-28 секунды, например. О времени спонтанного распада мы ничего не можем сказать, кроме того, что оно велико. Может быть, это время - 10³³ лет, и после еще одного усилия в ближайшие годы распад будет обнаружен. Если это время - порядка 10⁴⁰ лет или больше, обнаружение его практически невозможно, при учете необходимого количества воды и времени и фона от космических лучей.

Заметим, что для объяснения избытка вещества над антивеществом во Вселенной необходимо, но не достаточно, чтобы протоны были неустойчивы. Нужно еще, чтобы была асимметрия законов рождения и распада для вещества и антивещества. Такая асимметрия природы действительно обнаружена - но на других объектах.

Асимметрия проявляется только тогда, когда введена "стрела времени", то есть когда система эволюционирует. В термодинамическом равновесии в покоящейся системе вещество и антивещество даже при сверхвысокой температуре должны содержаться в равном количестве. Однако Вселенная расширяется, и поэтому в ней будущее отличается от прошлого, несимметрия рождения вещества и антивещества может проявиться!

Последнее замечание: почему в избытке оказывается именно вещество, а не антивещество? Серьезного ответа на этот вопрос нет, как нет и конкретной теории процесса. Можно перевести вопрос в филологическую плоскость. Мы называем веществом именно те частицы, которые рождаются в избытке. Вспомним двустишие Самуила Маршака (не путать с физиком Робертом Маршаком!): "Мятеж никогда не кончался удачей, иначе бы он назывался иначе".

Однако это не вся правда. Определим "вещество" как то, из чего построены Солнце, планеты и все остальное. При этом мы определим и положительный знак электрического заряда как знак заряда протона. Тогда возникает вопрос, почему в распаде К⁰-мезона получаются преимущественно именно положительные пионы, электроны (позитроны) и мюоны вместе (этот распад есть один из тех процессов, в которых на опыте установлена несимметрия частиц и античастиц). На этот вопрос ответа еще нет, что и не удивительно, так как не установлен механизм возникновения барионного заряда, известно лишь, что такой процесс не противоречит законам физики.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год