Первые три минуты

В настоящее время (конец 1980 года) начинается необычайно трудный, но и важнейший «эксперимент века» — поиски распада протона, предсказанного теорией. Применительно к космологии и, в частности, к теории горячей Вселенной возможно, что теория объяснят соотношение между количеством вещества (протонов) и фотонов, т. е. значение числа В/γ = 10^-8 ÷ 10^-9 (отношение числа протонов к числу фотонов в единице объема), которое в настоящее время известно только из наблюдений. Единственным предположением при этом будет однородное и изотропное расширение Вселенной «по Фридману», начиная с сингулярного состояния. В развитии теории активное участие принимает Вайнберг.

Конкретно наиболее вероятным считается следующий механизм распада протона, связанный с предположением о существовании очень тяжелых дробнозаряженных скалярных (т. е. со спином нуль) Х-частиц. Их масса в 10¹⁴ раз больше массы протона, а заряд равен +4/Зе или —4/Зе, где е — элементарный заряд (заряд протона). Эти частицы могут распадаться по двум каналам каждая:

Здесь q — кварки; q¯ — антикварки; l — лептоны (заряженные!); l¯ — антилептоны. В первом канале для X⁺ фигурируют два кварка с зарядом +2/Зе каждый, во втором канале античастица кварка, имеющего заряд -1/Зе. Следовательно, заряд q¯ во втором канале равен +1/Зе, а заряд l¯ равен +е. Таким образом, электрический заряд сохраняется точно. Однако барионный заряд, получающийся в двух каналах, различен. Напомним, что барион состоит из трех кварков и барионный заряд кварка равен 1/3; барионный заряд протона равен 1 по определению.

При высокой температуре (выше пороговой температуры для рождения Х-частиц) частицы X находятся в равновесии. Однако при расширении и охлаждении распад Х-частиц отстает и на определенной стадии X⁺ и Х^- распадаются в неравновесных условиях. При этом из-за асимметрии частиц и античастиц образуется несколько больше кварков по сравнению с количеством антикварков. При дальнейшем охлаждении кварки и антикварки соединяются в барионы, антибарионы и мезоны, и возникает избыток барионов.

С другой стороны, распад протонов в настоящее время происходит через промежуточное образование частицы X:

Первый шаг процесса есть обращение того процесса (X → 2q), который написан выше. Так как X — очень тяжелая частица, то образоваться она может лишь на краткое мгновение (как говорят физики — «виртуально»), наблюдать можно лишь конечные продукты распада

Вероятность процесса мала именно потому, что велика масса X, образующая энергетический барьер на пути реакции. В ближайшие 20–30 лет прямое наблюдение Х-частицы исключено, однако мы надеемся, что распад протона будет наблюден значительно раньше.

ДОПОЛНЕНИЕ 7. О КОНЦЕНТРАЦИИ И ПЛОТНОСТИ НЕЙТРИНО ВО ВСЕЛЕННОЙ

При высокой температуре, выше 10¹⁰ К, нейтрино находятся в термодинамическом равновесии с электронами, позитронами и фотонами. Равновесная концентрация нейтрино убывает с понижением температуры пропорционально кубу температуры. Этот закон убывания такой же, как и у фотонов, так как нейтрино либо вовсе не имеют массы покоя, как фотоны, либо масса их мала по сравнению с энергией при высокой температуре. Поэтому соотношение между числом нейтрино и фотонов в этот период не зависит от силы взаимодействия и, таким образом, неверно, что нейтрино сохраняются вследствие того, что они слабо взаимодействуют и сечение их аннигиляции мало. Если бы нейтрино взаимодействовали сильнее (что в действительности имеет место при температуре выше 10¹⁰ К), то аннигиляция нейтрино и антинейтрино с превращением их, например, в фотоны происходила бы чаще. Однако одновременно усилился бы и обратный процесс превращения фотонов в пары нейтрино и антинейтрино. Концентрация нейтрино в термодинамическом равновесии, приблизительно равная концентрации фотонов, при этом не изменилась бы. Имея в виду, что позже, после аннигиляции электронов и позитронов, температура нейтрино на самом деле будет даже несколько ниже температуры излучения, усиление взаимодействия привело бы даже к некоторому увеличению концентрации нейтрино за счет уменьшения концентрации фотонов. Сказанное выше относится к нейтрино, относительно которых предполагается, что масса покоя равна нулю, скорость равна скорости света и энергия равна импульсу, умноженному на скорость света. Термодинамические свойства таких безмассовых нейтрино мало отличаются от свойств фотонов.