Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció Tartalomjegyzékhez < Világképem < (Hadron-időszak) Bariogenezis - Asszimetria - Szaharov-feltétel - Barion-asszimetria feltételei A kozmológiában általánosan bariogenezisnek nevezzük azt a hipotetikus fizikai folyamatot, melynek következtében a barionok és antibarionok között aszimmetria jött létre az univerzum korai időszakában. Ennek a folyamatnak az eredménye (elméletileg) az a nagy mennyiségű anyag, amely kitölti a jelenleg ismert univerzumot. A bariogenezis-elméletek (köztük a legfontosabbak az elektrogyenge bariogenezis és GUT[1] bariogenezis) a fizika különböző ágait vonja be - mint például a kvantumtérelméletet és a statisztikus fizikát -, hogy leírja a lehetséges mechanizmusokat. A legalapvetőbb különbség az egyes elméletek között az, hogy milyen módon írják le az elemi részecskék között végbemenő kölcsönhatásokat. Rendkívül népszerűvé vált az ún. elektrogyenge bariogenezis elmélete, az anyagaszimmetriának az elektrogyenge skálán történő keltése (l. ábra). Ennek két oka van. Először is az elektrogyenge elmélet, mint ahogy ezen különszám többi írásából kiderül, rendkívüli precizitást ért el. Az elektrogyenge elmélet egyenleteit a kísérletek nagy pontossággal igazolták. Ezért nagy biztonsággal használhatjuk az elektrogyenge kölcsönhatások standard modelljét. A második ok az, hogy az elektrogyenge fázisátmenet után kifagynak, megszűnnek azok a folyamatok, amelyek az anyagszámot változtatják. Ennek következtében az itt kialakult anyagaszimmetria mind a mai napig megmarad. Az ábra mutatja az univerzum történetét az ősrobbanástól napjainkig. Az egyes tengelyeken a karakterisztikus idő-, tér-, sűrűség-, hőmérséklet- és energiaskálák vannak feltüntetve. Az időben visszatekintve láthatjuk, hol alakultak ki a galaxisok, hol csatolódtak le a fotonok, hol történt a nukleoszintézis, melyek a tipikus hadronikus, elektrogyenge, nagy egyesített (GUT) és Planck-skálák. Ezen kozmológiai események a fizika különböző eszköztáraival írhatók le. A galaxisok kialakulását az asztrofizika, a fotonok lecsatolódását az atomfizika, a nukleoszintézist a magfizika írja le. Azon események, amelyek még a nukleoszintézisnél is korábban történtek, mind az elemi részek fizikájának a birodalmába tartoznak. A számunkra legfontosabb esemény, az ún. elektrogyenge fázisátmenet, az elektrogyenge skála által határozódik meg. Ennek értéke kb. 100 GeV, amelyhez az ábrán megtalálható karakterisztikus időskála 10-12 másodperc. A továbbiakban részletesen megvizsgáljuk, vajon ezen az időskálán lehetséges volt-e a világ anyagaszimmetriájának a dinamikus keltése. A bariogenezist a sokkal jobban megértett ősrobbanáskori nukleoszintézis követi, melynek folyamán könnyű atommagok kezdtek formálódni. Asszimetria Bariogenezis - Asszimetria - Szaharov-feltétel - Barion-asszimetria feltételei A Dirac-egyenlet, melyet Paul Dirac fogalmazott meg 1928 környékén a relativisztikus kvantummechanika kidolgozásának részeként, előrejelzi az antirészecskék létezését párban a megfelelő elemi részecskékkel. Később kísérleti úton is igazolták, hogy minden ismert részecske rendelkezik megfelelő antirészecskével. A CPT-szimmetria elmélete garantálja, hogy a részecske és a neki megfelelő antirészecske pontosan ugyanazon élettartammal és tömeggel rendelkezik, míg töltésük ellentétes. Ennek fényében zavaró, hogy az univerzumban látszólag nincs azonos mennyiségű anyag és antianyag (épp ellenkezőleg: kísérleti bizonyíték nem támasztja alá, hogy lenne jelentős mennyiségű antianyag-koncentráció bárhol az ismert univerzumban). Alapvetően két magyarázat létezik az aszimmetriára:
A második nézőpontot tartják a valószínűbbnek, ám nincs semmilyen kísérleti bizonyíték ami alátámasztaná (ahogy a másik mellett sincs). Az ok, amiért ezt tartják valószínűbbnek, a következő nézőponton alapul: ha az univerzum magába foglal mindent (tér, idő, anyag), akkor semmi sem létezik rajta kívül, tehát semmi sem létezett előtte, amiből az következik, hogy a kezdeti barionszám zéró. Ennek fényében az elsődleges probléma az aszimmetria létrejöttének megmagyarázása.
Szaharov-feltételek Bariogenezis - Asszimetria - Szaharov-feltétel - Barion-asszimetria feltételei Andrej Szaharov 1967-ben javasolta egy három feltételből álló rendszer felállítását, melyet teljesítenie kell egy barion-generáló kölcsönhatásnak ahhoz, hogy aszimmetrikusan hozzon létre anyagot és antianyagot. Ezeket a feltételeket néhány olyan korabeli felfedezés ihlette, ami a kozmikus háttérsugárzást és a CP-sértést (a semleges kaon rendszerekben) tárgyalta. A három kötelező feltétel a következő:
Jelenleg semmilyen kísérleti bizonyítéka nincs olyan részecske-kölcsönhatásoknak, ahol a barionszám-megmaradás elve megtörne. Matematikailag a barionszám kvantum operátorának kommutátora a standard modell Hamilton-operátorával zérót ad: [B,H] = BH - HB = 0 Figyelembe kell venni viszont, hogy a standard modell bizonyítottan sérti némely esetekben a barionszám-megmaradás elvét. Hasonló anomália előfordulhat a standard modellt meghaladó fizikai események esetén is (mint szuperszimmetria) A második feltételt 1964-ben fedezték fel (direkt CP-sértést, amikor egy bomlási folyamat sérti a CP-szimmetriát, 1999-ben fedeztek fel). Ha a CPT-szimmetria fennáll, a CP-szimmetria csak akkor sérülhet, ha az időtükrözési-szimmetria (T-szimmetria) sérül. Az utolsó feltétel kijelenti, hogy egy barion-aszimmetriát generáló kölcsönhatás lassabb kell legyen, mint az univerzum tágulásának foka. Ebben az esetben a részecskék és a hozzájuk tartozó antirészecskék nem érik el az egyensúlyi állapotot (nem semlegesítik egymást) a magas tágulási ráta miatt, így csökkentve a párok semlegesítődésének valószínűségét. Barion-aszimmetria paraméterei Bariogenezis - Asszimetria - Szaharov-feltétel - Barion-asszimetria feltételei A fizikai elméletek feladata, hogy megmagyarázzák, hogyan jöhetett létre ez az aszimmetria, s ugyanakkor, meghatározza annak nagyságát. Ebben a vonatkozásban különösen fontos mennyiség az aszimmetria-paraméter. Ez a mennyiség arányba állítja a barionok és antibarionok sűrűsége (nB illetve nB) közötti különbséget és a kozmikus háttérsugárzásban előforduló fotonok sűrűségét (nγ). Az Ősrobbanás modelljének megfelelően, az anyag nagyjából 3 000 kelvin hőmérséklet körül levált a kozmikus háttérsugárzásról, megközelítőleg 0.3 eV (3,000 K / (10.08×104 K/eV) átlagos energiát hordozva. A leválást követően a háttérsugárzást adó fotonok száma állandó marad, így a folyamatos tér-idő tágulásnak köszönhetően a sűrűsége csökken. A foton-sűrűség jelenleg nagyjából 411 fotonnak felel meg köbcentiméterenként. Mivel ez a η paraméter relatív, erősen függ a háttérsugárzásban található fotonok sűrűségétől, nem megfelelő a számításokhoz. Bariogenezis - Asszimetria - Szaharov-feltétel - Barion-asszimetria feltételei Tartalomjegyzékhez < Világképem < (Hadron-időszak) -------------------------------------------- http://hu.wikipedia.org/wiki/Bariogenezis http://www.termeszetvilaga.hu/szamok/kulonszamok/k0003/fodor.html http://hu.wikipedia.org/wiki/CP-szimmetria
|