NATURA
číslo 2, ročník 4
(c) 1995, Intellectronics

(Fyzik říká "hmota" a většinou myslí "látka". Podobně i antihmota je antilátka. Pozn. J.K.)

Proč je více protonů než antiprotonů?

Všechna naše dosavadní pozorování dokazují, že v okolním vesmíru je více hmoty než antihmoty. Sluneční záření obsahuje částice a nikoliv antičástice. Naše Galaxie je složena z hmoty, protože kosmické záření z hvězd Galaxie obsahuje protony a antiprotony v poměru asi 104:1 a nepozorujeme anihilaci hvězd. Pokud by někde ve vesmíru byla antihmota v galaxiích, museli bychom pozorovat záření gama z anihilace antihmoty s hmotou.

Zůstává však problém "anihilační katastrofy", která zřejmě způsobila asymetrii mezi množstvím hmoty a antihmoty ve vesmíru. Při velmi vysoké teplotě v první mikrosekundě existovalo obrovské množství párů kvarků a antikvarků. Kolb a Turner odhadují, že připadalo vždy 30 miliónů antikvarků na 30 miliónů a jeden kvark. Jde tedy o slabou asymetrii. Během času hmota a antihmota vzájemně anihilovaly a zůstal malý přebytek hmoty nad antihmotou.

Pro vysvětlení baryonní asymetrie se nabízejí základní tři hypotézy:

1.Vesmír vznikl již s touto asymetrií. Tato hypotéza nic nevysvětluje a navíc je v rozporu s inflačními teoriemi vzniku vesmíru, které vylučují jakékoliv počáteční asymetrie.
2.Baryogeneze proběhla během spontánního narušení symetrie podle grandunifikační teorie GUT. GUT předpovídá např. spontánní rozpad protonu.
3.Baryogeneze proběhla během spontánního narušení symetrie při oddělení elektroslabých sil. Higgsovy bosony způsobily narušení symetrie a vznik hmotných částic.

Sacharov vyslovil tři nezbytné podmínky baryogeneze:
1.Porušení zákona zachování baryonového čísla. Pokud by zákon zachování baryonového čísla platil při všech reakcích, pak by asymetrie baryonní hmoty mohla odrážet pouze počáteční podmínky vzniku vesmíru, což odpovídá první hypotéze.
2.Porušení nábojové symetrie C a symetrie CP. Pokud by neplatil zákon zachování baryonového čísla, došlo by postupně k ustavení rovnováhy přeměn baryonů na antibaryony a naopak v případě, že platily zákony symetrie C a CP.
3.Termodynamická nerovnováha. Protože symetrie CPT zaručuje rovnost hmotností baryonů a antibaryonů, chemická rovnováha by samovolně vedla k průběhu nezbytných reakcí pro zachování případně narušené asymetrie.

Výše uvedené podmínky se odrážejí v problémech standardního kosmologického modelu:
1.Standardní model by měl zachovávat baryonové číslo klasicky (nikoliv ve smyslu, že lagrangián porušuje tento zákon zachování). Kvantové efekty umožňuje tunelování vesmíru s různými hodnotami baryonového čísla. Toto tunelování je velmi omezeno při energiích nad 10 TeV, může se objevit při energiích narušení symetrie a zcela jistě se objevuje při vyšších teplotách.
2.Porušení symetrie C je prokázáno. Porušení symetrie CP bylo pozorováno u rozpadu kaonů, což vede k názoru, že standardní model není schopen na základě porušení symetrie CP vysvětlit pozorovanou baryonovou asymetrii.
3.Termodynamická nerovnováha by se mohla objevit během prvního fázového přechodu při chladnutí raného vesmíru při energiích kolem 100 GeV. Jak vznikaly domény "pravého vakua", baryogeneze mohla proběhnout v blízkosti doménových stěn.

Největším teoretickým problémem je skutečnost, že narušení zákonu zachování baryonového čísla ve standardním modelu by bylo příliš velké (jakmile uvedené tři podmínky přestaly platit) a předtím vytvořená baryonní asymetrie se změnila v symetrii.

Odkazy

[1]Kolb and Turner, _The Early Universe_
[2]Dine, Huet, Singleton & Susskind, Phys.Lett.B257:351 (1991)
[3]Dine, Leigh, Huet, Linde & Linde, Phys.Rev.D46:550 (1992).

Literatura
[1]Item 29.: Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons? original by David Brahm
From: columbus@osf.org
Subject: sci.physics Frequently Asked Questions (Part 4 of 4)
Date: 25 Sep 1995 14:55:08 GMT