바리온 비대칭

반물질
반입자 양전자 안티프로톤 안티뉴트론 항수소 항헬륨 오니아 역양성 수소 역양성 헬륨 뮤오늄 진성 뮤오늄 피오늄 포지트로늄 쿼코늄
개념과 현상 전멸 중입자형성 바리온 비대칭 혜성 CP 위반 중력 상호작용 양전자 방출
장치들 구름실 입자 가속기 안티프로톤 감속기 상대론적 중이온 충돌기 페닝 트랩
사용하다 양전자 방출 단층 촬영 연료 무기
사람과 몸 칼 데이비드 앤더슨 폴 디락 안드레이 사하로프 CERN
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물리 우주론에서, 물질 비대칭 문제 또는 물질-반물질 비대칭 ^[1][2]문제로도 알려진 바리온 비대칭 문제는 관측 가능한 우주에서 관찰된 바리온 물질과 반바리온 물질 사이의 불균형이다.입자물리학의 표준모형이나 일반상대성이론 모두 왜 그래야 하는지에 대한 알려진 설명을 제공하지 않으며, 우주가 모든 보존된 ^[3]전하로 중립적이라는 것은 자연스러운 가정이다.빅뱅은 같은 양의 물질과 반물질을 생성했어야 했다.그렇지 않은 것 같기 때문에 일부 물리 법칙은 물질과 반물질에 대해 다르게 작용하거나 존재하지 않았을 수 있습니다.중입자 형성을 초래한 물질과 반물질의 불균형을 설명하기 위해 몇 가지 경쟁 가설이 존재한다.그러나 "물리학의 ^[4]가장 큰 미스터리 중 하나"로 묘사되어 온 이 현상을 설명할 합의 이론은 아직 없다.

사하로프 조건

1967년 안드레이 사하로프는^[5] 바리온 생성 상호작용이 물질과 반물질을 서로 다른 비율로 생성하기 위해 충족해야 하는 세 가지 필수 조건 세트를 제안했다.이러한 조건은 중성 카온계에서 우주 배경^{[6] [7]}방사선과 CP 위반의 최근 발견에서 영감을 받았습니다.필요한 세 가지 "사하로프 조건"은 다음과 같다.

• 바리온 $번호{\displaystyle }$B$위반$입니다.
• C-대칭 및 CP-대칭 위반.
• 열평형에서 벗어난 상호작용.

바리온 번호 위반

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 ^[8]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$:{\displaystyle }$ [${\displaystyle B,}$ ${\displaystyle H]}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle B}$H - ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \mathrm{B}}$ ${\displaystyle =}$0(\$displaystyle [B,$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.

CP 대칭 위반

바리온 비대칭 생성의 두 번째 조건(전하 패리티 대칭 위반)은 프로세스가 반물질과 다른 속도로 발생할 수 있다는 것입니다.표준 모형에서 CP 위반은 약한 교호작용의 쿼크 혼합 행렬에서 복잡한 위상으로 나타납니다.중성미자 혼합 매트릭스에 0이 아닌 CP 위반 단계가 있을 수도 있지만, 이는 현재 측정되지 않습니다.일련의 기초 물리학 원리 중 가장 먼저 위반된 것은 우젠슝의 실험을 통한 동등성입니다.이로 인해 1964년 피치-크로닌 중성 카온을 이용한 실험에서 CP 위반이 검증되었고, 1980년 노벨 물리학상을 받았다(붕괴 과정에서 CP 대칭을 위반하는 직접 CP 위반은 나중에 1999년에 발견되었다).CPT 대칭으로 인해 CP 대칭을 위반하면 시간 반전 대칭, 즉 T 대칭을 위반해야 합니다.표준 모델의 CP 위반 허용에도 불구하고, 관측된 우주의 바리온 비대칭성(BAU)을 설명하기에는 바리온 수 위반의 한계를 고려할 수 없으며, 이는 표준 모델 이상의 선원이 필요하다는 것을 의미한다.

LHC 운영의 첫 3년(2010년 3월 시작) 동안 LHCb 협업에 의해 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 CP 위반의 가능성이 있는 새로운 원인이 발견되었다.실험은 바닥 람다(Lambda)와_b⁰ 그 반입자 두 입자의 부식을 분석하여 붕괴 생성물의 분포를 비교하였다.데이터는 CP 위반 민감량의 최대 20%의 비대칭을 보여 CP-대칭성이 깨지는 것을 암시했다.이 분석은 LHC의 ^[9]후속 실행에서 더 많은 데이터를 통해 확인해야 합니다.

열평형에서 벗어난 상호작용

불균형 붕괴 시나리오에서,^[10] 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.

기타 설명

반물질이 우세한 우주의 지역

겉으로 보이는 바리온 비대칭성에 대한 또 다른 가능한 설명은 물질과 반물질은 본질적으로 우주의 서로 다른 멀리 떨어진 지역으로 분리된다는 것입니다.반물질 은하의 형성은 원래 바리온 비대칭성을 설명하는 것으로 여겨졌는데, 멀리서 보면 반물질 원자는 물질 원자와 구별할 수 없기 때문에 둘 다 같은 방식으로 빛(사진)을 생성합니다.그러나 물질과 반물질 영역 사이의 경계를 따라, 물질과 반물질의 밀도에 따라 소멸(및 후속 감마선 생성)이 감지될 수 있다.그러한 경계가 존재한다면, 깊은 은하간 공간에 존재할 것이다.은하간 공간에 있는 물질의 밀도는 입방 미터 ^[11][12]당 약 1개의 원자에서 상당히 잘 확립되어 있다.이것이 경계 부근의 전형적인 밀도라고 가정하면 경계 상호작용 구역의 감마선 광도를 계산할 수 있다.그러한 구역은 아직 발견되지 않았지만, 30년 동안 연구해 온 결과, 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 대한 한계가 있었다.이러한 분석에 근거해, 관측 가능한 우주내의 어느 영역도 ^[4]반물질에 의해 지배되고 있을 가능성은 낮은 것으로 여겨지고 있습니다.

전기 쌍극자 모멘트

기본 입자에 전기 쌍극자 모멘트(EDM)가 있으면 패리티(P)와 시간(T)의 대칭을 모두 위반합니다.따라서 EDM은 물질과 반물질이 서로 다른 속도로 붕괴되어 오늘날 관측된 물질-반물질 비대칭이 발생할 수 있다.현재 다양한 물리 입자의 EDM을 측정하기 위한 많은 실험이 진행 중입니다.현재 모든 측정치는 쌍극자 모멘트가 없는 상태로 일관됩니다.그러나 결과는 물리적 모델이 허용할 수 있는 대칭 위반의 양에 엄격한 제약을 가합니다.2014년에 발표된 가장 최근의 EDM 한계는 ACME Collaboration으로,^[13] 일산화토륨(ThO) 분자의 펄스 빔을 사용하여 전자의 EDM을 측정했습니다.

거울 반우주

우주의 상태는 CPT 대칭을 위반하지 않습니다. 왜냐하면 빅뱅은 우주-반우주 쌍으로 구성된 고전적, 양자 역학적으로 양면 현상으로 간주될 수 있기 때문입니다.즉, 이 우주는 반우주의 전하(C), 패리티(P), 시간(T) 이미지입니다.이 쌍은 빅뱅 시대에서 방사능이 지배적인 뜨거운 시대로 바로 진입하지 않았다.반우주는 빅뱅으로부터 시간을 거슬러 흐를 것이고, 그렇게 할수록 더 커질 것이고, 반물질에 의해 지배될 것이다.진공상태에서 전자-양전자 쌍을 만드는 것과 유사한 상황인 우리 우주와 비교하면 그것의 공간적 특성은 반전된다.캐나다 페리미터 이론물리학 연구소의 물리학자들이 고안한 이 모델은 우주 마이크로파 배경(CMB)의 온도 변동이 빅뱅 ^[14]특이점 근처의 시공간 양자역학적인 특성 때문이라고 제안합니다.이것은 우리 우주의 미래에 있는 한 점과 반우주의 먼 과거의 한 점이 고정된 고전적인 점을 제공하는 반면, 모든 가능한 양자 기반 순열은 그 사이에 존재할 것이라는 것을 의미합니다.양자적 불확실성으로 인해 우주와 반우주는 ^[15]서로의 정확한 거울상이 아니다.

이 모델은 대규모로 우주의 균일성을 설명하는 것과 같은 인플레이션 시나리오에 관한 특정 관측치를 재현할 수 있는지 여부를 보여주지 않았다.하지만, 그것은 암흑 물질에 대한 자연스럽고 직접적인 설명을 제공합니다.이러한 우주-반우주 쌍은 무균 중성미자로도 알려진 많은 수의 초중량 중성미자를 생산할 것이다.이러한 중성미자는 또한 최근에 관측된 고에너지 우주선의 ^[16]폭발의 근원이 될 수 있다.

바리온 비대칭 파라미터

물리학 이론에 대한 도전은 반물질보다 물질의 우세를 어떻게 만들어낼 것인가와 또한 이 비대칭성의 크기를 설명하는 것입니다.중요한 수량화자는 비대칭 파라미터입니다.

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

이 양은 바리온과 반바리온(각각 n과 n_B)의_B 전체적인 수밀도 차이와 우주배경방사선광자_γ n의 수밀도와 관련이 있다.

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.

${\displaystyle n_{\flac}=black {1}{\pi ^{2}}\leftflac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)^{3}\int _{0}^{\infty}}{\frac {x}{e^{x}-1},flac=pi frac {2\zeta(3)}{\pi ^2}\left\frac {k_{B}T}{\hbar c}}\right)^{3}\약 20.3\left({\frac {T}{1{\text{K}}}}\right)^{3}{\text{cm}}^-3}$

k는_B 볼츠만 상수, θ는 플랑크 상수를 2µ, c는 진공 상태에서 빛의 속도로 나눈 값, θ(3)는 아페리의 상수이다.현재 CBR 광자 온도 2.725K에서 이는 입방센티미터당 약 411CBR 광자의 광자 밀도_γ n에 해당한다.

따라서 위에서 정의한 비대칭 파라미터 θ는 "good" 파라미터가 아닙니다.대신 우선 비대칭 파라미터는 엔트로피 밀도 s를 사용합니다.

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

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

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

p와 δ를_μν 에너지 밀도 텐서 T의 압력 및 밀도로_*, g를 온도 T에서 "질량 없는" 입자의 유효 자유도(mc δ_B kT 유지² 시 inasm)로 한다.

$g$$T}}\right)^{3}+{\frac {7}{8}}\sum _{j=\mathrm {commissions}}g_{j}{\leftfrac\frac {T_{j}}{$$T}}\오른쪽)$$}^{3$

온도_i T와_j T에서 각각 g와_j g 자유도를 갖는_i 보손과 페르미온의 경우.현재 s = 7.04n입니다_γ.

「 」를 참조해 주세요.

• 중입자형성
• CP 위반
• 물리학의 미해결 문제 목록

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