Bariogênese - Baryogenesis

Na cosmologia física , a bariogênese é o processo físico que supostamente ocorreu durante o universo inicial para produzir assimetria bariônica , ou seja, o desequilíbrio de matéria ( bárions ) e antimatéria (antibárions) no universo observado .

Um dos problemas pendentes da física moderna é a predominância da matéria sobre a antimatéria no universo . O universo, como um todo, parece ter uma densidade numérica bárion positiva diferente de zero. Uma vez que é assumido na cosmologia que as partículas que vemos foram criadas usando a mesma física que medimos hoje, normalmente seria esperado que o número total de bárions fosse zero, já que matéria e antimatéria deveriam ter sido criadas em quantidades iguais. Uma série de mecanismos teóricos são propostos para dar conta desta discrepância, nomeadamente a identificação de condições que favorecem a quebra de simetria e a criação de matéria normal (em oposição à antimatéria). Esse desequilíbrio deve ser excepcionalmente pequeno, da ordem de 1 em cada1 630 000 000 (~ 2 x 10 9 ) partículas de uma pequena fracção de segundo após o big bang. Depois que a maior parte da matéria e da antimatéria foram aniquiladas, o que restou foi toda a matéria bariônica do universo atual, junto com um número muito maior de bósons . Experimentos relatados em 2010 no Fermilab , no entanto, parecem mostrar que esse desequilíbrio é muito maior do que se pensava anteriormente. Esses experimentos envolveram uma série de colisões de partículas e descobriram que a quantidade de matéria gerada era aproximadamente 1% maior do que a quantidade de antimatéria gerada. A razão para essa discrepância ainda não é conhecida.

A maioria das grandes teorias unificadas quebram explicitamente a simetria do número bárion , o que explicaria esta discrepância, normalmente invocando reações mediadas por bósons X muito massivos (
X
)
ou bósons de Higgs massivos (
H0
) A taxa em que esses eventos ocorrem é governada em grande parte pela massa do intermediário
X
ou
H0
partículas, então assumindo que essas reações são responsáveis ​​pela maioria do número de bárions visto hoje, uma massa máxima pode ser calculada acima da qual a taxa seria muito lenta para explicar a presença de matéria hoje. Essas estimativas prevêem que um grande volume de material ocasionalmente exibirá um decaimento espontâneo do próton , o que não foi observado. Portanto, o desequilíbrio entre matéria e antimatéria permanece um mistério.

As teorias da bariogênese são baseadas em diferentes descrições da interação entre as partículas fundamentais. Duas teorias principais são a bariogênese eletrofraca ( modelo padrão ), que ocorreria durante a época eletrofraca , e a bariogênese GUT , que ocorreria durante ou logo após a época de grande unificação . A teoria quântica de campos e a física estatística são usadas para descrever tais mecanismos possíveis.

A bariogênese é seguida pela nucleossíntese primordial , quando os núcleos atômicos começaram a se formar.

Problema não resolvido na física :

Por que o universo observável tem mais matéria do que antimatéria?

Fundo

A maior parte da matéria comum no universo é encontrada nos núcleos atômicos , que são feitos de nêutrons e prótons . Esses núcleons são compostos de partículas menores chamadas quarks, e a existência de equivalentes de antimatéria para cada um deles foi prevista pela equação de Dirac em 1928. Desde então, cada tipo de antiquarque foi verificado experimentalmente. Hipóteses que investigam os primeiros instantes do universo prevêem uma composição com um número quase igual de quarks e antiquarks. Uma vez que o universo se expandiu e resfriou a uma temperatura crítica de aproximadamente2 × 10 12  K , quarks combinados em matéria normal e antimatéria e procederam à aniquilação até a pequena assimetria inicial de cerca de uma parte em cinco bilhões, deixando a matéria ao nosso redor. Quarks e antiquarks individuais livres e separados nunca foram observados em experimentos - quarks e antiquarks são sempre encontrados em grupos de três ( bárions ) ou ligados em pares quark-antiquarks ( mésons ). Da mesma forma, não há evidência experimental de que existam concentrações significativas de antimatéria no universo observável.

Existem duas interpretações principais para essa disparidade: ou o universo começou com uma pequena preferência pela matéria ( número bariônico total do universo diferente de zero) ou o universo era originalmente perfeitamente simétrico, mas de alguma forma um conjunto de fenômenos contribuiu para um pequeno desequilíbrio a favor da matéria ao longo do tempo. O segundo ponto de vista é o preferido, embora não haja nenhuma evidência experimental clara que indique que qualquer um deles seja o correto.

Bariogênese GUT sob condições de Sakharov

Em 1967, Andrei Sakharov propôs um conjunto de três condições necessárias que uma interação geradora de bárions deve satisfazer para produzir matéria e antimatéria em taxas diferentes. Essas condições foram inspiradas pelas recentes descobertas da radiação cósmica de fundo e da violação de CP no sistema kaon neutro . As três "condições Sakharov" necessárias são:

A violação do número de bárions é uma condição necessária para produzir um excesso de bárions sobre os antibióticos. Mas a violação da simetria C também é necessária para que as interações que produzem mais bárions do que antibárions não sejam contrabalançadas por interações que produzem mais antibárions do que bárions. A violação da simetria CP é igualmente necessária porque, de outra forma, números iguais de bárions canhotos e antibárions destros seriam produzidos, bem como números iguais de bárions canhotos e bárions destros. Por fim, as interações devem estar fora do equilíbrio térmico, caso contrário a simetria do CPT garantiria a compensação entre os processos que aumentam e diminuem o número de bárions.

Atualmente, não há evidência experimental de interações de partículas onde a conservação do número bárion é interrompida perturbativamente : isso parece sugerir que todas as reações de partículas observadas têm número bárion igual antes e depois. Matematicamente, o comutador do número baryon operador quântico com o (perturbativo) Modelo Padrão hamiltonian é zero: . No entanto, o modelo padrão é conhecido por violar a conservação do número bárion apenas de forma não perturbativa: uma anomalia global U (1). Para conta para baryon violação em bariogênese, tais eventos (incluindo decaimento do próton) pode ocorrer em Teorias Grande Unificação (GUT) e supersimétricas modelos (SUSY) via bósons massivas hipotéticas como o boson X .

A segunda condição - violação da simetria do CP - foi descoberta em 1964 (violação direta do CP, que é a violação da simetria do CP em um processo de decaimento, foi descoberta mais tarde, em 1999). Devido à simetria CPT, a violação de CP-simetria exige violação da simetria de inversão do tempo, ou T-simetria .

No cenário de decaimento fora do equilíbrio, a última condição afirma que a taxa de uma reação que gera a assimetria bariônica deve ser menor que a taxa de expansão do universo. Nesta situação, as partículas e suas antipartículas correspondentes não atingem o equilíbrio térmico devido à rápida expansão diminuindo a ocorrência de aniquilação de pares.

Bariogênese dentro do modelo padrão

O Modelo Padrão pode incorporar a bariogênese, embora a quantidade de bárions (e leptons) assim criada possa não ser suficiente para explicar a presente assimetria bariônica. É necessário um quark em excesso por bilhão de pares de quark-antiquark no universo inicial para fornecer toda a matéria observada no universo. Essa insuficiência ainda não foi explicada, teoricamente ou não.

A bariogênese dentro do modelo padrão requer que a quebra de simetria eletrofraca seja uma transição de fase de primeira ordem , visto que, de outra forma, os sphalerons eliminam qualquer assimetria bariônica que aconteceu até a transição de fase. Além disso, a quantidade restante de interações não conservadoras de bárions é insignificante.

A parede do domínio de transição de fase quebra a simetria P espontaneamente, permitindo que as interações que violam a simetria CP quebrem a simetria C em ambos os lados. Quarks tendem a se acumular no lado da fase interrompida da parede do domínio, enquanto os anti-quarks tendem a se acumular no lado da fase contínua. Devido à simetria CP violando as interações eletrofracas, algumas amplitudes envolvendo quarks não são iguais às amplitudes correspondentes envolvendo anti-quarks, mas têm fase oposta (ver matriz CKM e Kaon ); uma vez que a reversão do tempo leva uma amplitude ao seu conjugado complexo, a simetria CPT é conservada em todo o processo.

Embora algumas de suas amplitudes tenham fases opostas, tanto os quarks quanto os anti-quarks têm energia positiva e, portanto, adquirem a mesma fase à medida que se movem no espaço-tempo. Esta fase também depende de sua massa, que é idêntica, mas depende tanto do sabor quanto do VEV de Higgs, que muda ao longo da parede do domínio. Assim, certas somas de amplitudes para quarks têm valores absolutos diferentes em comparação com os de anti-quarks. Ao todo, quarks e anti-quarks podem ter diferentes probabilidades de reflexão e transmissão através da parede do domínio, e acontece que mais quarks provenientes da fase contínua são transmitidos em comparação com os anti-quarks.

Portanto, há um fluxo bariônico líquido através da parede do domínio. Devido às transições de sphaleron, que são abundantes na fase ininterrupta, o conteúdo antibariônico líquido da fase ininterrupta é eliminado à medida que os antibióticos são transformados em leptons. No entanto, os esfalerons são raros o suficiente na fase interrompida para não limpar o excesso de bárions ali. No total, há criação líquida de bárions (assim como léptons).

Neste cenário, as interações eletrofracas não perturbativas (ou seja, o sphaleron) são responsáveis ​​pela violação B, o Lagrangiano eletrofraco perturbativo é responsável pela violação CP e a parede do domínio é responsável pela falta de equilíbrio térmico e o P- violação; junto com a violação CP, também cria uma violação C em cada um de seus lados.

Conteúdo importante no universo

A questão central para a bariogênese é o que causa a preferência pela matéria em relação à antimatéria no universo, bem como a magnitude dessa assimetria. Um quantificador importante é o parâmetro de assimetria , dado por

onde n B e n B se referem à densidade numérica de bárions e antibárions respectivamente e n γ é a densidade numérica de fótons de radiação cósmica de fundo .

De acordo com o modelo do Big Bang, a matéria se separou da radiação cósmica de fundo (CBR) a uma temperatura de aproximadamente3000 Kelvin , correspondendo a uma energia cinética média de3000 K / (10,08 × 10 3  K / eV ) =0,3 eV . Após o desacoplamento, o número total de fótons CBR permanece constante. Portanto, devido à expansão do espaço-tempo, a densidade de fótons diminui. A densidade de fótons na temperatura de equilíbrio T por centímetro cúbico, é dada por

,

com k B como a constante de Boltzmann , ħ como a constante de Planck dividido por 2 π e c como a velocidade da luz no vácuo, e ζ (3) como constante de apery . Na temperatura atual do fóton CBR de2,725 K , isso corresponde a uma densidade de fótons n γ de cerca de 411 fótons CBR por centímetro cúbico.

Portanto, o parâmetro de assimetria η , conforme definido acima, não é o "melhor" parâmetro. Em vez disso, o parâmetro de assimetria preferido usa a densidade de entropia s ,

porque a densidade de entropia do universo permaneceu razoavelmente constante durante a maior parte de sua evolução. A densidade de entropia é

com p e ρ como a pressão e a densidade do tensor de densidade de energia T μν , e g como o número efetivo de graus de liberdade para partículas "sem massa" na temperatura T (na medida em que mc 2k B T se mantém),

,

para bósons e férmions com g i e g j graus de liberdade nas temperaturas T i e T j, respectivamente. Na época atual, s =7,04  n γ .

Esforços de pesquisa em andamento

Ligações à matéria escura

Uma possível explicação para a causa da bariogênese é a reação de decaimento da B-mesogênese. Esse fenômeno sugere que, no início do universo, partículas como o méson B decaem em um bárion modelo padrão visível, bem como em um antibárion escuro que é invisível para as técnicas de observação atuais. O processo começa assumindo uma partícula escalar massiva e de vida longa que existe no início do universo antes da nucleossíntese do Big Bang. O comportamento exato de ainda é desconhecido, mas presume-se que decai em b quarks e antiquarks em condições fora do equilíbrio térmico, satisfazendo assim uma condição Sakharov. Esses quarks b formam mésons B, que imediatamente se transformam em estados oscilantes de violação de CP , satisfazendo assim outra condição Sakharov. Esses mésons oscilantes, em seguida, decaem para o par de antibárions bárions-escuros mencionados anteriormente , onde está o méson-B parental, é o antibárion escuro, é o bárion visível e são quaisquer filhas de mésons leves extras necessárias para satisfazer outras leis de conservação neste decadência de partículas. Se este processo ocorrer rápido o suficiente, o efeito de violação de CP é transportado para o setor de matéria escura. No entanto, isso contradiz (ou pelo menos desafia) a última condição de Sakharov, uma vez que a preferência de matéria esperada no universo visível é equilibrada por uma nova preferência de antimatéria na matéria escura do universo e o número total de bárions é conservado.

B-Mesogênese resulta em falta de energia entre os estados inicial e final do processo de decaimento, o que, se registrado, pode fornecer evidências experimentais para a matéria escura. Laboratórios de partículas equipados com fábricas de méson B , como Belle e BaBar, são extremamente sensíveis a decaimentos de méson B envolvendo energia perdida e atualmente têm a capacidade de detectar o canal. O LHC também é capaz de pesquisar essa interação, uma vez que produz várias ordens de magnitude a mais de mésons B do que Belle ou BaBar, mas há mais desafios devido à diminuição do controle sobre a energia inicial do méson B no acelerador.

Veja também

Referências

Artigos

Livros didáticos

Preprints