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:
az univerzum valamilyen okból kisebb mértékű anyag-irányú preferenciával indult (a kezdeti - ősrobbanás előtti - univerzum teljes barionszáma különbözött zérótól);
eredetileg az univerzum tökéletesen szimmetrikus volt, ám valamilyen módon, egy sor esemény következtében az egyensúly felbomlott, lassan de biztosan vezetve az anyag dominanciájához.
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.
A CP-szimmetria a részecskefizika területén azt jelenti, hogy egy folyamat valószínűsége a részt vevő részecskéken végrehajtott C (töltéstükrözés, azaz antirészecskékre cserélés) és P (térbeli tükrözés) transzformációk után azonos marad. Az erős és elektromágneses kölcsönhatásokban a C, a P és a CP transzformáció szimmetria.
A CP két fizikai szimmetriatranszformáció szorzata: C a töltéstükrözés (töltéskonjugáció), ami egy részecskét az antirészecskéjébe transzformál, P pedig a térbeli tükrözés (paritás), ami az összes térkoordináta előjelének megfordítását, a fizikai rendszer tükörképébe való áttranszformálást jelenti.
A paritásmegmaradás sugalmazója az a tény volt, hogy a részecskefizika (akkori) egyenletei invariánsak voltak a tükrözésre. Ez ahhoz a jóslathoz vezetett, hogy egy "tükörreakció" (akár kémiai reakció vagy radioaktív bomlás) ugyanolyan gyakran következik be, mint az eredeti reakció. Az 1940-es évekig a fizikusok meg voltak győződve arról, hogy minden folyamat mutatja a paritásmegmaradást. Az 1950-es években azonban találtak néhány kivételt a P-szimmetria alól a radioaktív folyamatok területén, amikor a folyamat és a tükörfolyamat más valószínűséggel ment végbe.
Összességében a kvantummechanika szimmetriája helyreállítható, ha egy másik S szimmetriát találunk úgy, hogy a kombinált PS-szimmetria sértetlen marad. A Hilbert-térnek ezen meglehetősen kifinomult vonását röviddel a P-sértés felfedezése után ismerték fel, és a javaslat szerint a töltéskonjugáció volt ez a kívánatos szimmetria, ami a rendet helyreállíthatja.
Csak egy általánosabb szimmetria, a CPT-szimmetria maradt meg a fizikai folyamatok számára. A T az időtükrözést jelenti, ami a mozgás megfordításának felel meg. A T-szimmetria azt jelenti, hogy ha egy mozgás megengedett, akkor a megfordítottja is az. A CPT-szimmetriát egzaktnak gondoljuk, ezért a CP-sértés egyben T-sértést is jelent. A CPT-szimmetria az egyik alapvető tétele a kvantumtérelméletnek.
A fizika egyik megoldatlan elméleti kérdése, hogy miért áll az univerzum főleg anyagból ahelyett, hogy egyenlő mértékben tartalmazna anyagot és antianyagot. Kézenfekvő feltevések sorának segítségével demonstrálható, hogy a megfigyelt anyag-antianyag arányt létrehozhatta az ősrobbanás utáni néhány másodperc CP-sértése.
A standard modellben az ősrobbanás egyenlő mennyiségben hozott volna létre anyagot és antianyagot a CP-szimmetria fennállása esetén, és így teljesen meg is kellett volna semmisülnie mindkettőnek, a protonoknak az antiprotonokkal, az elektronoknak a pozitronokkal, a neutronoknak az antineutronokkal és így tovább minden elemi részecskére. A végén az univerzum fotonok tengerévé vált volna minden anyag nélkül. Mivel nyilvánvalóan nem ez a helyzet, az ősrobbanás alatt a fizikai törvényeknek másképpen kellett hatniuk az anyagra, mint az antianyagra, és mivel a CP-szimmetria azt jelenti, hogy ugyanúgy hatnak, a szimmetria nem lehet igaz mindenesetre.
Ezért követelmény, hogy egy olyan erőnek kellett hatnia, ami meggátolta a barionszám és a leptonszám megmaradását. A gyenge erő csak kismértékű sértést tud okozni, ami legfeljebb egy galaxisnyi tömeget tudott volna létrehozni.
Mivel a standard modell nem jósolja meg pontosan ezt az ellentmondást (ahogy a sötét anyag és a sötét energia problémáját sem), úgy látszik, a standard modell nem teljes vagy a fizika egyébként bajban van. Ez óriási érdeklődést keltett a kísérleti részecskefizika iránt, és reményeket az asztrofizika számos elméletében – mint a felfúvódási elmélet és a bariogenezis –, hogy a sértést megmagyarázzák.
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:
a) Anyagszám- (barionszám-) sértő folyamatok létezése. Egy sikeres bariogenezis triviálisan megköveteli ezen folyamatok létezését. A barionszámsértő folyamatok nélkül keletkezett barionok és antibarionok (anyag- és antianyag-részecskék) száma ugyanaz, így az univerzumban zérus anyagaszimmetria alakulhatna csak ki. Kísérletekben ilyen folyamatokat (barionszámsértés) nem sikerült detektálni. Ez a negatív kísérleti tény egyrészt megnehezíti az anyagaszimmetria kutatását, másrészt szerencsésen garantálja, hogy a világ meglévő anyagaszimmetriája ne tűnhessen el. Egyetlen kísérleti bizonyíték arra, hogy ilyen folyamatok léteznek vagy valaha léteztek, a minket körülvevő anyagi világ és benne saját magunk létezése. A Természet Világa ezen számának más cikkeiben részletesen elemzett Standard Modellben, illetve annak szuperszimmetrikus kiterjesztésében az ún. szfaleronok révén valósul meg a barionszámsértés, méghozzá olyan óriási hőmérséklet esetén, amit kísérletileg még nem sikerült előállítani. Ilyen csak a korai világegyetemben uralkodhatott.
b) C- és CP-sértés létezése: ha valamely folyamatot és annak töltéskonjugáltját (olyan folyamatot, amiben az egyes részt vevő részecskék töltése épp ellentétes, mint az eredeti folyamatban) összehasonlítjuk, akkor a két folyamat amplitúdója (amely a folyamatok valószínűségét méri) nem feltétlenül egyezik meg (ez a C-sértés maga). Sőt a Standard Modellben vannak maximálisan C-sértő folyamatok is. Ha a töltéstükrözés, töltéskonjugálás mellé a tértükrözést is bevesszük (a balra pörgő" részecskék helyett jobbra pörgő" részecskéket tekintünk), akkor a két folyamat amplitúdója közötti különbség lényegesen kisebb, de még mindig nem zérus. Ezt nevezzük CP-sértésnek, melynek dimenziótlan erőssége 10-3 nagyságrendű. Ezt a CP-sértést a Standard Modellben az ún. Cabbibo-Kobayasi-Maskawa keverési mátrix írja le. A Standard Modell kiterjesztéseiben további, erősebb CP-sértő effektusok lépnek fel.
c) Harmadik feltétel a termikus egyensúlytól való eltérés feltétele. Ennek szükségességét a következőképpen magyarázhatjuk. Magas hőmérsékletű plazmában egyensúly esetén ugyanolyan valószínűséggel találunk részecskéket, mint antirészecskéket. Sőt, termikus egyensúlyban a barionszám nem változik, így ha az valaha nulla volt, nulla is maradt. Szerencsére a korai univerzumban számos drámai, egyensúlytól távoli esemény történt, például az univerzum gyors kitágulása és különféle fázisátmenetek, melyek lehetővé tették, hogy a korai világegyetem az egyensúlytól eltérjen.
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