§ 8. Гипотеза несохранения барионов и зарядовая несимметрия элементарных частиц

Радикальным решением вопроса о зарядовой симметрии Вселенной является отказ от сохранения барионного заряда. Одновременно отпал бы и важнейший мотив — непрерывность барионных мировых линий — для поисков теории перехода через сингулярность.

Рассмотрим вкратце некоторые работы, в которых делается попытка развить гипотезу несохранения барионного заряда.

В первой работе — Сахарова (1967а) предполагается, что возможен процесс Во второй работе — Кузьмина (1970) вводится процесс где - истинно нейтральный фермион, барион (антибарион), лептон (антилептон). Наконец, в недавних работах Пати, Салама (1973) возможность несохранения барионного заряда связывается с гипотезой, согласно которой барионы состоят из кварков с целыми электрическими зарядами.

Конечной целью упомянутых работ является получение современного зарядово-несимметричного состояния в предположении начального симметричного состояния горячей плазмы. Нужно подчеркнуть, что для получения этого результата необходимо, но недостаточно ввести несохранение барионов.

В самом деле, в теории элементарных частиц можно переносить частицу с правой стороны на левую сторону, превращая ее в

античастицу. Следовательно, наряду с процессами рождения и уничтожения барионов, идут и процессы рождения и уничтожения антибарионов.

До 1964 г. догматом веры было к тому же равенство всех вероятностей и сечений, относящихся к частицам и античастицам. В такой теории зарядовая асимметрия, очевидно, не возникнет и после того, как будет сделано предположение о несохранении барионного заряда.

Однако в настоящее время мы знаем на основе точных лабораторных экспериментов, что нет точной симметрии свойств частиц и античастиц. Согласно современной теории, точно равны массы частиц и античастиц, равны по величине и противоположны по знаку заряды частиц и античастиц. Более того, равны полные вероятности распада нестабильных частиц и античастиц. Однако при наличии нескольких вариантов распада проявляется нарушение зарядовой симметрии. Так, например, экспериментально достоверно установлено, что вероятность распада долгоживущего нейтрального каона на больше, 1 чем на в отношении 1,003. Следовательно, в принципе можно представить себе, что бозоны, у которых есть несколько каналов распада, — имеют различную вероятность распада с изменением барионного заряда. Пусть вероятность процесса больше вероятности процесса и это компенсируется обратным соотношением вероятностей При распаде смеси из равного числа может возникнуть избыток над т. е. возникнет обычное вещество.

Ожидаемый эффект ничтожен, и, по-видимому, объяснить таким образом асимметрию Вселенной не удается. Дело в том, что происходит перемножение малых величин, нагромождение маловероятных гипотез. Прежде всего, несохранение барионного заряда до сих пор не наблюдалось. При несохранении барионов любое ядро способно распадаться, например:

Эксперимент приводит к суровым ограничениям: вероятность распада такого рода меньше что соответствует времени жизни больше лет. Отсюда вытекает малая вероятность самого элементарного процесса или или других подобных процессов.

Все остроумие цитированных выше работ заключается в преодолении этого кажущегося противоречия. Можно ли совместить значительную вероятность процессов несохранения барионного заряда (необходимую для того, чтобы процесс мог играть космологическую роль) с наблюдаемой стабильностью нуклонов и ядер? Предположим, что Кварки способны распадаться на лептонов,

и взаимодействие распада пропорционально малой константе так что время жизни кварка

Барион состоит из трех кварков; динамика взаимодействия кварков предполагается такой, что кварк и дикварк гораздо тяжелее, чем трикварк, т. е. барион:

В таком случае распад

энергетически запрещен. Барион либо распадается целиком, т. е. так, что все три кварка превращаются в лептоны, например:

либо совсем не распадается. В такой схеме распад бариона есть процесс третьего порядка, и грубая оценка даст

Значит, полагая, например, сек, получим сек, что не противоречит опыту [Пати, Салам (1973)].

Такая гипотеза является необходимым — с точки зрения космологии — дополнением идеи кварков. Спонтанный распад кварков, если такие частицы вообще существуют, нужен для объяснения отрицательного результата поисков свободных кварков.

Вернемся к вопросу о возможном объяснении избытка барионов.

Асимметрия — различие между частицами и античастицами — во всех случаях мала. Выше написано, что в принципе такое отличие есть, но надо уточнить: в теории сильного и электромагнитного взаимодействий отличия нет, оно появляется только как малая поправка в процессах слабого взаимодействия. Наконец, асимметрия частиц и античастиц не нарушает термодинамики применительно к стационарному, равновесному состоянию. Если -вероятность процесса больше -вероятности процесса то обязательно оусечение также больше оусечения По-видимому, равновесная концентрация останется одинаковой в статическом случае и при учете того, что теория несимметрична. Это утверждение подобно точной теореме о равенстве масс частиц и античастиц. К сожалению, нет работ, в которых исследовались бы термодинамические выводы зарядово-несимметричной теории.

Вернемся к космологии. Избыток барионов над антибарионами может получиться лишь в связи с тем, что задача нестационарна, происходит расширение, задана «стрела» времени! Но это значит, что появится еще один множитель меньше единицы. Дальнейшая дискуссия о теории, не сформулированной количественно ее авторами, вряд ли целесообразна. Никто до сих пор не показал, что можно совместить наблюдаемую стабильность ядер в лаборатории и состав Вселенной с зарядово-симметричным сингулярным состоянием.

Но высшая ирония заключается в том, что после экспериментального открытия зарядовой несимметрии в физике частиц сама идея зарядово-симметричной Вселенной в значительной мере теряет свою привлекательность!