2. СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА ВО ВСЕЛЕННОЙ

Плотность вещества, непосредственно видимого как звезды и светящиеся газовые облака в галактиках, усредненная по всему объему, включающему темное межгалактическое пространство, является величиной порядка

Плотность энергии электромагнитного излучения космологического происхождения (чернотельное реликтовое излучение с температурой 2,7 К) равна Эта величина, деленная на с, дает значение плотности которое в настоящее

время пренебрежимо мало по сравнению с плотностью обычного вещества.

Физикам теперь известно о существовании слабо взаимодействующих частиц — в первую очередь ситуация иллюстрируется поиском солнечных нейтрино: считается, что их поток составляет 5% от солнечного светового потока, т. е. что соответствует плотности энергии и плотности массы однако они еще не обнаружены. Электронные нейтрино с более низкой энергией на одну частицу и другие типы нейтрино, а также гравитоны обнаружить гораздо труднее по сравнению с солнечными мегавольтными нейтрино.

Это значит, что прямыми физическими измерениями в лаборатории невозможно обнаружить нейтрино даже в тех количествах, которые уже чрезвычайно важны в космологии. В космологическом масштабе гравитация оказывается более чувствительной к нейтрино, чем лабораторные детекторы частиц [77].

Первым и очевидным результатом избытка плотности было бы уменьшение времени эволюции:

для для релятивистских частиц. Для асимптотически не зависит от Н:

Принимая возраст солнечной системы лет за нижнюю границу для получаем Но это очень завышенная оценка. С большой уверенностью можно положить

Это позволяет дать верхние пределы для температуры равновесного ферми-газа или чернотельного гравитационного излучения:

Другая возможность — море вырожденных нейтрино (с пренебрежимо малой примесью или, наоборот, вырожденные без Она согласуется со сценарием горячей модели «большого взрыва». Верхний предел для ферми-энергии этого моря порядка 50 эВ.

Это все, что можно сказать о количествах частиц. Космология дает также информацию о свойствах нейтрино, т. е. о их массе покоя. Предположение, что нейтрино имеет ненулевую массу покоя, является произвольным, но его трудно опровергнуть средствами ядерной физики. Экспериментально установлено, что эВ для электронных нейтрино, эВ для мюонных нейтрино и эВ для нейтрино, связанных с новым «лептоном» — тяжелым аналогом электрона и мюона. Космологические ограничения впервые использовали Герштейн и Зельдович [24]. В горячей модели «большого взрыва» плотность числа различных нейтрино должна быть порядка если их масса покоя

меньше эВ, так что они не аннигилируют в ходе расширения.

Используя завышенную оценку они получили для масс покоя или приблизительный верхний предел эВ. Это было не важно для но очень важно для мюонных нейтрино.

Каусик и Мак-Клелланд [12] усовершенствовали теорию, приняв а также равную массу (если она есть) для всех типов нейтрино, и получили более сильный результат эВ. Салаи и Маркс [64] рассмотрели судьбу тяжелых нейтрино в галактиках.

После открытия третьего лептона много групп исследователей независимо использовали космологические аргументы, чтобы исключить интервал эВ возможных значений масс покоя Однако интервал эВ эВ ставит новые проблемы: аннигиляция в ходе расширения имеет место, когда температура падает до Была использована теория аннигиляции в ходе расширения, развитая в связи с аннигиляцией вещество— антивещество [10] и кварковой аннигиляцией [81]. Ее важным результатом является алгебраическая (не экспоненциальная) зависимость окончательной концентрации от массы покоя.

В результате [37, 38, 67] появился запрет на интервал масс покоя, приведенный выше. Поэтому масса покоя третьего нейтрино также должна быть меньше 20 эВ, и точно нулевое значение является весьма вероятным. Время жизни массивных нейтрино обсуждалось в работе Дикуса, Кольба и Теплица [14]. Случай кварков, упомянутый выше, был важен для развития теории элементарных частиц. Если свободные кварки могут существовать, их концентрация после рекомбинации должна быть равна концентрации фотонов. Отношение числа кварков к числу барионов должно быть порядка . Отсутствие такой концентрации в обычной материи было аргументом в пользу теории невылетания кварков. Этот аргумент был сильнее, чем результаты экспериментов на ускорителях и с космическими лучами. Возможные свойства хиггсовского мезона проанализированы с использованием космологических аргументов в работе [57].