Сахаровский сборник

Однако если частица взаимодействует с античастицей (например, реакция протон-антипротон, хорошо изученная в лабораторных условиях), то возникает совершенно другая картина. Поскольку барионные заряды этих двух частиц противоположны по знаку, и, следовательно, суммарный барионный заряд равен нулю, нет никаких причин, запрещающих превращению пары барион-антибарион в легкие частицы — электроны, нейтрино и кванты света. Как говорят, происходит аннигиляция, в результате которой пара барион-антибарион исчезает. Если бы в нашем мире существовали тела, построенные из антивещества, то при соприкосновении с телами из вещества происходила бы их аннигиляция с выделением большого количества энергии. Никаких астрономических указаний на существование подобных явлений обнаружено не было. Таким образом, опытом с большой точностью установлено, что в нашей Вселенной нет скоплений антивещества. Конечно, всегда можно возразить, что антивещество сосредоточено где-то в отдаленных уголках Вселенной и пространственно разделено с веществом. Однако даже если это и так в современную эпоху, то в эпоху сразу после "Большого взрыва", когда материя была в сверхплотном состоянии, такое разделение вещества и антивещества весьма трудно себе представить. Остается предположить, что во Вселенной нет островов антивещества или, иначе говоря, барионный заряд Вселенной отличен от нуля. В этом состоит барионная асимметрия Вселенной: несмотря на то, что законы физики допускают замену вещества на антивещество, Вселенная состоит из частиц с барионным зарядом одного знака. Проблема барионной асимметрии Вселенной ставит вопрос: как это могло произойти в процессе эволюции? Как мы видим, в этой проблеме скрещиваются фундаментальные законы физики. С одной стороны, закон сохранения барионного заряда, с другой — представления Общей теории относительности, из которой следует модель расширяющейся Вселенной, возникшей в результате "Большого взрыва". Конечно, один из возможных ответов состоит в том, что "так было всегда", что уже сверхплотная материя во времена "Большого взрыва" имела в точности такой же барионный заряд, какой имеет Вселенная в нашу эпоху. Однако такой ответ является пустым.

Значительно более интересной является гипотеза о том, что начальное состояние Вселенной имело барионный заряд равный нулю, а имеющаяся сейчас барионная асимметрия возникла в результате некоторых физических процессов в ходе эволюции Вселенной. С этой точки зрения рассматриваются различные аспекты барионной асимметрии Вселенной в работах А.Д. Сахарова (1,2,3,4). Андрей Дмитриевич исследует две различные гипотезы. Первая (3) состоит в том, что барионный заряд в природе строго сохраняется, однако в результате нестационарных процессов в сверхплотном веществе, возникшем в "Большом взрыве", возможно разделение барионного заряда, при котором положительный заряд сосредоточен в нуклонах, а равный ему отрицательный заряд — в некоторых гипотетических частицах, нейтральных антикварках (с барионным зарядом — 1/3). Эти антикварки по предположению не захватываются ядрами. Все окружающее пространство заполнено антикварками. Их средняя плотность втрое больше средней плотности нуклонов (суммарный барионный заряд нуклонов и антикварков равен нулю). Легко сформулировать свойства антикварков, которые не приводят к противоречию с имеющимися данными. В работе обсуждаются возможные эксперименты по наблюдению антикварков. Такие эксперименты являются наиболее прямой проверкой гипотезы.

Вторая гипотеза, рассмотренная в работах (1,4), существенно отличается от предыдущей. Предполагается, что закон сохранения барионного заряда выполняется лишь приближенно. Вводится конкретная модель взаимодействия, не сохраняющего барионный заряд. Это взаимодействие приводит к распаду протона в легкие частицы (в конкретном варианте в -мезоны). В работе показано, что при нестационарном процессе расширения сверхплотной материи введенный механизм может дать наблюдаемое значение барионной асимметрии. В современную эпоху видимые эффекты нового взаимодействия весьма малы. Например, хотя это взаимодействие приводит к распаду протона, тем самым делая протон нестабильным, однако время жизни протона оказывается столь большим, что наблюдение распада протона в эксперименте находится далеко за пределами современных возможностей. В последующей работе (2) Андрей Дмитриевич развивает свою гипотезу, увязывая ее с эффектом несохранения CP-четности — весьма важным явлением, экспериментально обнаруженным при распаде долгоживущих ki-мезонов.

Проблема барионной асимметрии Вселенной сейчас является одной из центральных проблем, объединяющей две важнейшие области физики — теорию элементарных частиц и космологию.