중입자형성

물리 우주론에서, 중입자 생성은 관측된 우주에서^[1]^[2] ^[3]물질과 반물질의 불균형, 즉 중입자 비대칭을 생성하기 위해 초기 우주 동안 일어났다고 가정된 물리적 과정이다.

현대 물리학에서 두드러진 문제 중 하나는 우주에서 물질이 반물질보다 우세하다는 것이다.우주는 전체적으로 0이 아닌 양의 중입자 밀도를 가지고 있는 것으로 보입니다.우주론에서 우리가 보는 입자들이 오늘날 우리가 측정하는 것과 같은 물리학을 사용하여 만들어졌다고 가정하기 때문에, 물질과 반물질은 같은 양으로 만들어졌어야 했기 때문에, 일반적으로 전체적인 바리온 수는 0이 될 것으로 예상된다.이러한 차이를 설명하기 위해 다수의 이론적 메커니즘이 제안된다. 즉, 대칭 파괴와 (반물질과는 대조적으로) 정상 물질의 생성을 선호하는 조건을 식별하는 것이다.이 불균형은 대폭발 ^[4]후 1초 이내에 1630000000(θ2×10⁹) 입자마다 1개꼴로 매우 작아야 합니다.대부분의 물질과 반물질들이 전멸한 후, 남은 것은 훨씬 더 많은 수의 보손들과 함께 현재 우주의 모든 중입자 물질이었다.그러나 2010년에 페르미랍에서 보고된 실험들은 이러한 불균형이 이전에 ^[5]가정했던 것보다 훨씬 더 크다는 것을 보여주는 것으로 보인다.이 실험들은 일련의 입자 충돌을 포함하였고, 생성된 물질의 양이 생성된 반물질의 양보다 약 1% 더 많다는 것을 발견했다.이 불일치의 이유는 아직 알려지지 않았다.

대부분의 대통합 이론은 이러한 차이를 설명할 수 있는 중입자수 대칭을 명백하게 깨뜨리고, 전형적으로 매우 거대한
X 보손이나
거대한 ^[6]힉스
보손에⁰
의해 매개되는 반응을 일으킨다.이러한 현상이 일어나는 속도는 주로 중간 X
또는⁰
H 입자의 질량에 의해 좌우되기 때문에, 이러한 반응이 오늘날 보여지는 바리온 숫자의 대부분을 차지한다고 가정함으로써,^[7] 최대 질량을 계산할 수 있으며, 그 이상의 속도는 물질의 존재를 설명하기에는 너무 느릴 것입니다.이러한 추정치는 대량의 물질이 관찰되지 않은 자발적인 양성자 붕괴를 보일 것으로 예측한다.따라서 물질과 반물질의 불균형은 미스터리로 남아 있다.

Baryogenesis 이론은 기본 입자 간의 상호작용에 대한 다른 설명에 기초한다.두 가지 주요 이론은 전약기에 일어날 수 있는 전약중입자형성(표준모형)과 대통일기 또는 그 직후에 일어날 수 있는 GUT중입자형성이다.양자장 이론과 통계물리학은 그러한 가능한 메커니즘을 설명하기 위해 사용된다.

중입자 형성은 원자핵이 형성되기 시작할 때 원시 핵합성이 뒤따른다.

물리학의 미해결 문제:

왜 관측 가능한 우주는 반물질보다 더 많은 물질을 가지고 있을까?

(물리학의 풀리지 않은 문제가 더 많다)

배경

우주의 일반 물질의 대부분은 중성자와 양성자로 구성된 원자핵에서 발견됩니다.이 핵자들은 쿼크라고 불리는 작은 입자로 이루어져 있고,^[8] 각각의 반물질 등가물은 1928년 디랙 방정식에 의해 존재할 것으로 예측된다.그 이후로, 모든 종류의 고물들이 실험적으로 검증되었다.우주의 처음 몇 개의 인스턴스들을 조사하는 가설은 쿼크와 ^[9]반쿼크의 수가 거의 같은 구성을 예측한다.일단 우주가 약 2¹²×10 ^[3]K의 임계 온도까지 팽창하고 식으면 쿼크는 정상 물질과 반물질로 합쳐져 50억분의 1 정도의 작은 초기 비대칭까지 전멸해 우리 ^[3]주위에 물질이 남게 된다.자유롭고 분리된 개별 쿼크와 반쿼크는 실험에서 관찰된 적이 없다. 쿼크와 반쿼크는 항상 3개의 그룹(바리온)으로 발견되거나 쿼크-반쿼크 쌍(메손)으로 결합된다.마찬가지로, 관측 가능한 우주에 유의한 농도의 반물질이 존재한다는 실험적인 증거는 없습니다.

이 불균형에 대한 두 가지 주요 해석이 있다: 우주가 물질에 대한 작은 선호에서 시작했거나, 또는 우주가 원래 완벽하게 대칭이었지만, 어찌된 일인지 일련의 현상은 시간이 지남에 따라 물질을 선호하는 작은 불균형에 기여하였다.두 번째 관점은 두 가지 중 어느 한쪽이 올바른 것임을 나타내는 명확한 실험 증거는 없지만 선호된다.

사하로프 조건에서의 GUT 중입자 형성

1967년 안드레이 사하로프는^[10] 바리온 생성 상호작용이 물질과 반물질을 서로 다른 비율로 생성하기 위해 충족해야 하는 세 가지 필수 조건 세트를 제안했다.이러한 조건은 최근 우주 배경^[11] 방사선과 중성 ^[12]카온계에서의 CP 위반 발견에서 영감을 받았다.필요한 세 가지 "사하로프 조건"은 다음과 같다.

바리온 $번호$ B $위반$ 입니다 $B$ .
C-대칭 및 CP-대칭 위반.
열평형에서 벗어난 상호작용.

바리온 번호 위반은 반바리온보다 바리온을 초과 생성하기 위해 필요한 조건입니다.그러나 반바리온보다 더 많은 중입자를 생성하는 상호작용이 중입자보다 더 많은 반바리온을 생성하는 상호작용에 의해 균형을 이루지 않도록 C-대칭성 위반도 필요하다.CP-대칭성 위반도 마찬가지로 요구되는데, 그렇지 않으면 왼손잡이 중입자와 오른손잡이 반중입자의 수가 같을 뿐만 아니라 왼손잡이 반중입자와 오른손잡이 중입자의 수가 동일하기 때문이다.마지막으로, CPT 대칭을 사용하지 않으면 중입자 수를 ^[13]증가시키는 프로세스와 감소시키는 프로세스 간의 보상을 보장할 수 있기 때문에 상호작용은 열 평형을 벗어나야 합니다.

현재, 바리온 수의 보존이 섭동적으로 깨진 입자 상호작용에 대한 실험적인 증거는 없다: 이것은 관찰된 모든 입자 반응이 이전과 이후에 동일한 바리온 수를 가지고 있음을 암시하는 것으로 보인다.수학적으로 (보완적) 표준 모델 해밀턴을 갖는 바리온수 양자 연산자의 정류자는 0이다 $[B,H]=BH-HB=0$ [ $[B,H]=BH-HB=0$ $[B,H]=BH-HB=0$ $[B,H]=BH-HB=0$ $[B,H]=BH-HB=0$ H - $[B,H]=BH-HB=0$ $[B,H]=BH-HB=0$ $[B,H]=BH-HB=0$ 0(\ $displaystyle [B,$ H] = $BRB-HB=0$ 단, 표준 모델은 비바리온수 보존에만 위반하는 것으로 알려져 있다.중입자 형성의 바리온 위반을 설명하기 위해, 그러한 사건(양성자 붕괴 포함)은 X 보손과 같은 가상의 거대 보손을 통해 대통일 이론(GUTs) 및 초대칭(SUSY) 모델에서 발생할 수 있습니다.

두 번째 조건인 CP-대칭성 위반은 1964년에 발견되었다(붕괴 과정의 CP-대칭성 위반인 직접 CP-대칭성 위반은 나중에 ^[15]1999년에 발견되었다).CPT 대칭으로 인해 CP 대칭을 위반하면 시간 반전 대칭 또는 T 대칭을 위반해야 합니다.

불균형 붕괴 시나리오에서,^[16] 마지막 조건은 중입자 비대칭성을 생성하는 반응 속도가 우주의 팽창 속도보다 작아야 한다는 것입니다.이 경우 입자와 그에 대응하는 반입자는 급격한 팽창으로 인해 열평형을 이루지 못하고 쌍항산화 발생이 감소한다.

표준 모델 내 중입자 형성

표준 모델은 중입자 형성을 포함할 수 있지만, 생성된 순 중입자(및 렙톤)의 양은 현재의 중입자 비대칭을 설명하기에 충분하지 않을 수 있다.초기 ^[3]우주에서는 관측된 모든 물질을 제공하기 위해 10억 개의 쿼크-반쿼크 쌍당 1개의 초과 쿼크가 필요합니다.이론적으로든 아니든 이 부족은 아직 설명되지 않았다.

표준 모델 내의 중입자 형성은 1차 상전이 되어야 하며, 그렇지 않으면 스팔레론이 상전이까지 발생한 중입자 비대칭성을 없애기 때문입니다.이 밖에도, 보존되지 않는 바리온 상호작용의 ^[17]잔량은 무시할 수 있습니다.

위상 전이 영역 벽은 P-대칭을 자발적으로 파괴하므로 CP-대칭이 상호 작용을 위반하여 양쪽에서 C-대칭을 파괴할 수 있습니다.쿼크는 영역 벽의 깨진 위상 측에 축적되는 경향이 있는 반면 반쿼크는 깨지지 않은 위상 ^[13]측에 축적되는 경향이 있습니다.CP-대칭성이 전기약 상호작용을 위반하기 때문에 쿼크와 관련된 일부 진폭은 반쿼크와 관련된 해당 진폭과 동일하지 않고 오히려 반대 위상(CKM 매트릭스와 Kaon 참조)을 가진다. 시간 반전은 복잡한 공역 진폭을 취하기 때문에 CPT-대칭성이 이 프로세스 전체에서 보존된다.

비록 그들의 진폭 중 일부는 반대 위상을 가지고 있지만, 쿼크와 반쿼크 둘 다 양의 에너지를 가지고 있고, 따라서 그들이 시공간에서 움직일 때 같은 위상을 획득합니다.이 위상은 또한 질량에 따라 달라지는데, 질량은 동일하지만 맛과 ^[18]도메인 벽을 따라 변화하는 힉스 VEV에 따라 달라집니다.따라서 쿼크에 대한 특정 진폭의 합은 반쿼크와 비교하여 다른 절대값을 가집니다.전체적으로 쿼크와 반쿼크는 영역 벽을 통해 반사 및 전달 확률이 다를 수 있으며, 반쿼크에 비해 중단되지 않은 단계에서 전달되는 쿼크가 더 많은 것으로 나타났다.

따라서 도메인 벽을 통과하는 순 중입자 플럭스가 있습니다.비파괴상에 풍부한 스팔레론 천이에 의해 반바리온이 렙톤으로 ^[19]변하면서 비파괴상의 순항바리온 함량이 소실된다.그러나 스팔레론은 분해 단계에서 충분히 드물기 때문에 여분의 바리온을 제거하지 못합니다.전체적으로 중입자(렙톤도 포함)의 순생성이 있습니다.

이 시나리오에서는 비교란성 전약 상호작용(즉, 스팔레론)이 B-위반, 섭동 전약 라그랑지안이 CP-위반, 도메인 벽이 열 평형 부족 및 P-위반과 함께 C-위반도 발생한다.양 ^[20]옆면

우주의 물질 내용

Baryogenesis의 중심적인 질문은 무엇이 우주에서 반물질보다 물질을 선호하는지 그리고 이러한 비대칭성의 크기이다.중요한 수량화자는 다음과 같은 비대칭 파라미터입니다.

(\displaystyle \eta = snfrac {n_{B}-{\bar {B}}}{n_{\gamma }})

$여기$ 서_B $n$ 과_B n은 각각 바리온과 반바리온의 수 밀도를 $나타내며 γ$ n은 우주 배경 복사 ^[21]광자의 수 밀도를 나타낸다.

빅뱅 모델에 따르면, 우주 배경 복사(CBR)에서 분리된 물질은 약 3000K / (10.08×10K³/eV) = 0.3eV의 평균 운동 에너지에 해당한다. CBR 광자의 총 수는 디커플링 후에도 일정하게 유지됩니다.따라서, 시공간의 팽창으로 인해, 광자 밀도가 감소합니다.평형 $온도$ T에서 입방 센티미터 당 광자 밀도는 다음과 같이 주어진다.

n_{\gamma }={\frac {1}{\pi ^{2}}}{\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)}^{3}\int _{0}^{\infty }{\frac {x^{2}}{e^{x}-1}}\operatorname {d} x={\frac {2\zeta (3)}{\pi ^{2}}}{\left({\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)}^{3}\approx 20.3\left({\frac {T}{1{\text{K}}}}\right)^{3}{\text{cm}}^{-3}

T}{\hbar c}}\오른쪽)

}^{3}\int _{0}^{\infty}{\frac {x2}}{e^{x}-1}\operatorname {d}x=pi frac {2\zeta(3)}{\pi ^{2}}{\leftfrac {k_{B}

T}{\hbar c}}\오른쪽)

}^{3

}\

약 20.3\

left

({\frac

{

T}{1{\text

{K

}}}}}\right)^{3}{\text{

cm}^-

3

$k$ 는_B 볼츠만 상수, θ는 플랑크 상수를 2µ, $c$ 는 진공 상태에서 빛의 속도로 나눈 값, $θ$ (3)는 아페리의 [21]상수이다.현재 CBR 광자 온도 2.725K에서 이는 입방센티미터당 약 411CBR 광자의 광자 $밀도 γ$ n에 해당한다.

따라서 위에서 정의한 비대칭 파라미터 $θ$ 는 최적의 파라미터가 아닙니다.대신 우선 비대칭 파라미터는 엔트로피 $밀도$ s를 사용합니다.

\eta _{s}=blac {n_{B}-n_{\bar {B}}{s}

왜냐하면 우주의 엔트로피 밀도가 대부분의 진화 과정 동안 상당히 일정했기 때문이다.엔트로피 밀도는

s\{stackrel {def}{=}\frac {mathrm {volume}}{\mathrm {volume}}=blac {p+\rho}{T}=blac {2\pi ^2}}{45}g_{\text{\text}}}}(T)T^{3}

p와 $δ$ 를_μν 에너지 밀도 텐서 T의 압력 $및$ 밀도, $g$ 를_⁎ 온도 $T$ 에서 "질량 없는" 입자의 유효 자유도(mc δ $kT$ 가_B 유지되는 $한$ ²)로 한다.

g_{\text{⁎}}(T)=\sum _{\mathrm {i=bosons} }g_{i}{\left({\frac {T_{i}}{T}}\right)}^{3}+{\frac {7}{8}}\sum _{\mathrm {j=fermions} }g_{j}{\left({\frac {T_{j}}{T}}\right)}^{3}

T}}\오른쪽)

}^{3}+{\frac {7}{8}}\sum _{\mathrm {j=reventions}}}g_{j}{\leftfrac\frac {

T}}\오른쪽)

}^{3

$온도 i$ $T$ 와_j T에서 각각 $g$ 와_j g 자유도를 $갖는 i$ 보손과 페르미온의 경우.현시점에서 $s$ = 7.04 ^[21] $n$ 이다_γ.

지속적인 연구 활동

암흑 물질과의 관계

Baryogenesis의 원인에 대한 가능한 설명은 B-Mesogenesis의 붕괴 반응이다.이 현상은 초기 우주에서는 B-메손과 같은 입자들이 현재의 관측 ^[22]기술로는 보이지 않는 어두운 반항성자뿐만 아니라 눈에 보이는 표준 모형 바리온으로 붕괴한다는 것을 암시한다.이 과정은 빅뱅 핵합성 ^[23]이전의 초기 우주에 존재하는 거대하고 긴 수명의 스칼라 입자 $δ를$ 가정하는 것으로 시작됩니다. $(\display\Phi)$ 의 $\Phi$ 정확한 거동은 아직 알려지지 않았지만 열평형 외의 조건에서는 바크 및 반쿼크로 붕괴되어 하나의 사하로프 조건을 충족한다고 가정한다.이러한 b쿼크는 B-meson으로 형성되며, $B_{s}^{0}-{\bar {B}}_{s}^{0}$ 은 즉시 진동하는 $B_{s}^{0}-{\bar {B}}_{s}^{0}$ 위반 B s $B_{s}^{0}-{\bar {B}}_{s}^{0}$ - B $B_{s}^{0}-{\bar {B}}_{s}^{0}$ s $B_{s}^{0}-{\bar {B}}_{s}^{0}$ ${{$ - {\ $bar {B}}_{s}$ {0 $}$ 상태로 $B_{s}^{0}-{\bar {B}}_{s}^{0}$ 하드론화되어 다른 Sakharov ^[24]조건을 충족한다.그런 다음 진동하는 중간자는 앞에서 설명한 바리온-다크 안티바리온 $쌍$ (B $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ B M $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ { $displaystyle$ B\ $rightarrow \$ psi { $mathcal$ { B $}} {\mathcal$ {M $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ 으로 $\psi$ $\psi$ 됩니다 $.$ $B$ 서 B {\ $display$ style $B$ B $}$ 는 부모 B-meson이고, $\psi$ ${\$ \ $display \psi$ 는 B-display stystyle $\psi$ 안티바리온 ${\mathcal {B}}$ 입니다.s 가시 바리온과 $(\$ 은 ${\mathcal {M}}$ 입자 ^[22]붕괴에서 다른 보존 법칙을 충족하기 위해 필요한 추가 광 중간자 딸입니다.이 과정이 충분히 빠르게 진행되면 CP 위반 효과는 암흑 물질 영역으로 전달됩니다.그러나 가시 우주의 예상 물질 선호도는 우주의 암흑 물질에서 새로운 반물질 선호도에 의해 균형을 이루고 총 바리온 수가 ^[23]보존되기 때문에 이는 마지막 사하로프 조건과 모순된다(또는 적어도 도전).

B-메소제네이션은 붕괴 과정의 초기 상태와 최종 상태 사이에 에너지 손실을 초래하며, 이를 기록하면 암흑 물질에 대한 실험적 증거를 제공할 수 있다.Belle, BaBar 등의 B-meson 공장을 갖춘 입자 실험실은 손실 에너지와 관련된 B-meson decay에 매우 민감하며, 현재 B $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ $M$ \ $displaystyle B\rightarrow$ \psi \ psi \ $mathcal$ {B} {\ $mathcal$ {M $}}$ ^[25]^[26] 채널을 $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ $B\rightarrow \psi {\mathcal {B}}{\mathcal {M}}$ 할 수 있는 능력을 갖추고 있다.LHC는 Belle 또는 BaBar보다 몇 배 더 많은 B-meson을 생성하기 때문에 이러한 상호작용을 검색할 수 있지만 가속기의 ^[22]B-meson 초기 에너지에 대한 제어 감소로 인해 더 많은 과제가 있다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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