Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 88
Текст из файла (страница 88)
В состоянии термодинамического равновесия прямой и обратный процессы идут с одинаковой скоростью и плотность частиц и античастиц близка к плотности 7-квантов. Поэтому основные реакции, происходившие во Вселенной в этот период, можно записать следующим образом: частицы + античастицы еь Т- кванты. Таким образом, в горячей Вселенной должно было быть колоссальное количество античастиц, равное числу частиц, и примерно равное числу Т-квантов.
В этот период Вселенная была непрозрачна для Т-квантов и реакции образования пар частица — античастица шли с высокой скоростью. С началом образования из кварков адронов энергии Т-квантов какоето время были достаточны для рождения алронов (антиадронов). Этот период эволюции Вселенной носит название эры адромов. Она начинается примерно при ! = !О 'а с н заканчивается к !О ч с.
Конец адронной эры наступает тогда, когда энергия излучения становится меньше энергии покоя самого легкого адрона — х-мезона. В условиях дальнейшего падения температуры и давления, когда рождение пар адрон-антиадрон было уже невозможно, а их аннигиляция и распад, естественно, продолжались.
происходило быстрое уменьшение числа адронов. Уменьшение числа адронов (антиадронов) привело к повышению числа легких частиц — лептонов, являющихся продуктами распада адронов. На этом этапе энергия фотонов была еше достаточна для рождения пар лептон-антилептон. Этот период называют лелтонной эрой, и основные процессы, происходившие в эту эру, можно представить следующей схемой: адроны + антиадроны -~ Т-кванты еь лептоны .+ антилептоны, В лептонную эру также наблюдалось статистическое равновесие, при котором лептон-антилептонные пары рождались и аннигилировали примерно с одинаковой скоростью.
Вселенная в этот период, помимо фотонов, состояла из лептонов (антилептонов) — в основном электронов (позитронов), нейтрино (антинейтрино) — и небольшого количества легчайших барионов — протонов и нейтронов, оставшихся после адронной эры. Лептонная эра завершается примерно к десятой секунде, когда температура падает до ! О'~ К и энергии фотонов становятся недостаточными для рождения пары самых легких заряженных лептонов — е е~. В лептонную эру произошло еше одно важное событие — через несколько десятых долей секунды после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной для нейтрино (антинейтрнно).
Энергии пар нейтриноантинейтрино были уже недостаточными для создания пар е еч'. В дальнейшем нейтрино (антинейтрино) и вещество расширялись независимо— изменение температуры и давления нейтрино не совпадало с изменением в 4. Первые мгновения Вселенной температуры и лавления остальной части Вселенной. Нейтринный газ в дальнейшем только охлаждался за счет расширения. Число нейтрино при этом должно сохраниться неизменным до наших дней. Их концентрация должна быть примерно такой же, как и лля реликтовых фотонов.
Однако, в связи с тем, что отделение нейтрино произошло раньше, чем отделение излучения, температура реликтовых нейтрино должна быть несколько меныце. К настоящему моменту нейтринный газ должен охладиться до 1,9 К для безмассовых нейтрино (при т,с' = 30 эВ температура будет 0,005 К). Обнаружение реликтовых нейтрино — важная и сложная проблема. Исходя из приведенных в табл. 10.2 данных о плотности энергии нейтринного газа во Вселенной (< 0,014ре), можно получить следующее ограничение на суммарную массу трех видов нейтрино: (гп,, +т„+ т„)с' < 1 эВ, что существенно уменьшает возможные массы всех сортов нейтрино по сравнению сданными экспериментов, основанных на измерении энергии слабых распалов. На смену лептонной эре пришла радиационная эра.
В начале этой эры было еще много лептонов, но за счет аннигиляции они быстро исчезали, превращаясь в излучение. Таким образом, Вселенная от состояния, когда плотность массивных частиц была близка к плотности фотонов, перешла к состоянию, в котором плотность фотонов на много порядков превосходила плотность частиц с массой. Вселенная практически полностью стала состоять из фотонов и нейтрино. В начале радиационной эры излучение интенсивно взаимодействовало с заряженными частицами (протонами, электронами), входившими в состав Вселенной. За счет расширения происходило охлаждение Вселенной, в том числе и фотонов. Фотоны охлаждались за счет эффекта Доплера при отражении от удаляющихся частиц. Увеличение длины волны фотонов ЬЛ связано с увеличением расстояния Ьгс между удаляющимися при расширении Вселенной частицами следующим соотношением: ЬЛ ЬЯ (10.10) Л В При дальнейшем расширении Вселенной отношение концентраций фотонов и массивных частиц остается постоянным.
Эти концентрации пропорциональны 1/21з, где  — радиус Вселенной, т, е. уменьшаются с одинаковой скоростью. При этом энергия не имеющего массы фотонного газа, в соответствии с (!О.! 0), стремится к нулю (в целом плотность энергии излучения, как уже ранее отмечалось, падает с расширением пропорционально 1/г14). В то же время полная энергия массивных истиц ограничена снизу их суммарной энергией покоя. Примерно через 40 000 лет после Большого взрыва, когда температура упала до Т вЂ” !Ох К, суммарная энергия, заключенная в веществе (с учетом массы), начинает превосходить суммарную энергию излучения.
450 Глава 10. Оукяеосинтез и Вселенная Во Вселенной начинает доминировать вещество, и на смену радиационной эре приходит эра вещества. При охлаждении до Т 3 !О' К происходит объединение протонов и электронов в атомы водорода (рекомбинапия). Плазменное состояние вещества Вселенной сменяется состоянием нейтральных атомов (среди них уже есть атомы дейтерия и гелия) и излучение практически перестает взаимодействовать с веществом. Вселенная становится прозрачной для излучения.
Это происходит примерно через 400000 лет после Большого взрыва, когда плотность вещества снижается до 10 м г/см'. Начиная с этого момента фотоны реликтового излучения охлаждаются, двигаясь свободно в расширяющейся Вселенной (ее поперечный размер в это время 10м см). Увеличение длины их волны (смещение в красную область спектра) с ростом масштабов Вселенной также дается формулой (10.10). В настоящее время температура реликтового излучения упала до 2,7 К. Это излучение равномерно пронизывает все пространство и практически изотропно (анизотропия !О з).
Разделение вещества и излучения привело к усилению влияния первичных неоднородностей в распределении вещества, что, в свою очередь, привело к образованию галактик и сверхгалактик. Неоднородности меньшего масштаба привели к образованию звезд. Этот этап развития Вселенной продолжается и в настоящее время. $5. Барионная асимметрия. Отсутствие антивещества во Вселенной Куда девалось огромное количество антивешества? Ведь на начальных этапах эволюпии Вселенной количество вещества равнялось количеству антивешества. Этот вопрос очень важен, так как именно из вещества, оставшегося после завершения раннего (горячего) этапа развития Все- ленной, в дальнейшем образовались галактики„сверхгалактики и звезды, развились новые формы материи, появилась жизнь.
Мы располагаем следующими фактами о нынешнем состоянии Все- леннойй: 1. Во Вселенной практически нет антивещества (отношение количества антивешества к количеству вещества не превышает 10 ~). Единичные антипротоны регистрируют в космических лучах. 2. Наблюдаемое (излучающее и поглошающее) вещество во Вселенной практически педиком состоит из барионов, и их энергетическая доля во Вселенной а 4%, 3. Барионная материя по массе с точностью до 10 з состоит из легчайших барионов — нуклонов, причем отношение числа нуклонов пн к числу реликтовых фотонов ат следующее: пн пе -9 — — 1О пт 7 в 5.
Баряолиая асязгзгетряя Эта барионная (нуклонная) компонента Вселенной на 85% состоит из протонов и на 15% из нейтронов, находящихся в связанном состоянии в атомных ядрах (главным образом в гелии). 4. Из электрической нейтральности Вселенной в целом следует, что отношение концентрации электронов и, к концентрации фотонов пт то же, что и для нуклонов, т. е. пе -> — !О (! 0.12) Отношения (10.11) и (10.12) не должны зависеть от времени в алиа- батически и изотропно расширяющейся Вселенной. Современные концепции исходят из того, что Вселенная родилась с квантовыми числами вакуума, т.е.
электрически нейтральной, и имела суммарный барионный заряд, равный нулю. Барионная асимметрия возникла, как полагают, на самых ранних этапах развития Вселенной в условиях высоких энергий (температур). Вернемся к концу адронной эры (1О 4 с после Большого взрыва). В этот момент интенсивно рождались и аннигилировали легчайшие барион-антибарионные пары. Их плотность была сравнима с плотностью фотонов. При стремительном расширении и охлаждении Вселенной рождение нуклон-антинуклонных пар уже не компенсировало их аннигиляцию и число барионов (антибарионов) быстро уменьшалось, пока не стабилизировалось на некотором значении, когда резко упавший за счет сильного разряжения темп аннигиляции перестал влиять на отношения концентраций барионов ца, антибарионов и- и фотонов и .
Оказывается, что эти отношения стабилизируются на уровне пб пб — !а — — !О пт что намного ниже наблюдаемого для барионов значения 10 " (для антибарионов это значение не превышает 10 "). В 1967 г. А.Д. Сахаровым была выдвинута гипотеза о том, что наблюдаемое значение обсуждаемого отношения для барионов является следствием незначительного преобладания нуклонов над антинуклонами; !Оз+ ! 109 возникшего в результате несохранения барионного заряда и нарушения СР-инвариантности. Условием появления этого барионного избытка, как предполагается, должен быть временный выход Вселенной из равновесного состояния в процессе ее расширения. По мере последующего остывания Вселенной вещество аннигилировало с антивеществом за исключением незначительного остатка 1О ~, который и послужил материалом для дальнейшей эволюции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
