5617041279

H. R. Quinn - Asymetria między materią i antymaterią

warunki konieczne do przejścia fazowego pierwszego rodzaju. Ponadto, dodatkowe pole Higgsa może dać też dodatkowe efekty naruszające CP na granicy faz. Takie efekty są konieczne, aby scenariusz z bąblem zgadzał się z obserwacjami.

Potencjał efektywny pola Higgsa ewoluuje w miarę stygnięcia Wszechświata. W wysokiej temperaturze (T » T_c, T > T_c) potencjał ma jedno minimum, w którym pole Higgsa znika. Gdy temperatura maleje (T = T_c), rozwija się drugie minimum; temperatura krytyczna T_c jest zdefiniowana jako temperatura, dla której wartości potencjału efektywnego w tych dwóch minimach są takie same. W temperaturze poniżej wartości krytycznej, odpowiadającej energii ok. 100 GeV, potencjał efektywny jest najmniejszy dla niezerowej wartości pola Higgsa. W konsekwencji cząstki mają nieze-rowe masy. Na rysunku pokazano potencjał efektywny

dla T =- 0.

Można badać bardziej złożone rozszerzenia Modelu Standardowego, m.in. teorie supersymetryczne i teorie wielkiej unifikacji. Lista pomysłów jest długa; mogą ją skrócić tylko dalsze eksperymenty w dziedzinie fizyki cząstek. Jeśli osiągną one wystarczająco duże wartości energii, w ich wyniku mogą zostać bezpośrednio wytworzone nowe cząstki przewidziane przez rozszerzone teorie. Wskazówek mogą również dostarczyć pośrednie poszukiwania przez testy zgodności przewidywań Modelu Standardowego (np. w rozpadach mezonów B). Obecne dane doświadczalne silnie ograniczają teorie, które dopuszczają bariogenezę w przejściu fazowym, ale ich nie wykluczają.

Rozpad neutrin o niezerowej masie

Drugi mechanizm nierównowagowego wytwarzania asymetrii materia antymateria zakłada, że bardzo słabo oddziałująca cząstka masywna została wytworzona w gorącym wczesnym Wszechświecie i rozpadła się tak późno, że odwrotne procesy produkcji nie były już prawdopodobne. Naruszenie CP w rozpadzie takiej cząstki mogło wtedy wytworzyć nierównowagę materii i antymaterii w produktach jej rozpadu. Tego typu scenariusze są do przyjęcia i w istocie stanowią przedmiot wielkiego zainteresowania fizyków, odkąd już wiemy, że neutrina maja niewielkie masy. Teorie, które je wyjaśniają, na ogół przewidują też istnienie bardzo ciężkich, w zasadzie nieoddziałujących typów neutrin. Rozpad tych masywnych neutrin wytwarza niezerową wypadkową liczbę leptonową, a proces ten znamy pod nazwą leptogenezy.

Skąd fizycy wiedzą, że neutrina maja niezerową masę? Stany własne rozpadu słabego i stany własne masy lekkich neutrin nie są takie same. Obserwowal-nym tego skutkiem są oscylacje neutrin. Neutrina są produkowane jako cząstki o określonym zapachu, ale ponieważ taki stan jest superpozycją stanów o różnych masach, „oscyluje” on do jakiegoś innego zapachu (i z powrotem). Efekty oscylacji zaobserwowano zarówno dla neutrin powstających w Słońcu, jak i produkowanych w rozpadach wtórnych cząstek promieniowania kosmicznego w górnych warstwach atmosfery (patrz Physics Today, lipiec 2002 r., s. 13 i sierpień 1998 r., s. 17).

Masy neutrin okazały się za małe, aby je mierzyć bezpośrednio, ale obserwacje mówią fizykom coś o różnicach mas neutrin. Te różnice i parametry mieszania słabych oddziaływań zaczyna się badać. Podobnie jak w przypadku macierzy CKM, opisującej sprzężenia kwarków, macierz mieszania, która definiuje słabe sprzężenia naładowanych leptonów z neutrinami o określonej masie, może doprowadzić do naruszenia CP. Być może to naruszenie wytłumaczy asymetrię materia antymateria Wszechświata.

Poza naruszeniem związanym z lekkimi neutrinami, naruszenie CP może wystąpić w sektorze neutrin bardzo ciężkich, pozwalając, by te drugie - produkowane we wczesnym Wszechświecie rozpadały się w procesie, który prowadzi do niezerowej wypadkowej liczby leptonowej. Leptony mogą wtedy wyprodukować bariony w procesach opisywanych przez Model Standardowy, które zmieniają zarówno liczbę leptonową, jak i barionową, ale nie ich różnicę. Wynikiem byłby obserwow^rany nadmiar materii. Scenariusze leptogenezy zbadano w pewnej liczbie modeli teoretycznych, włącznie z rozszerzeniami Modelu Standardowego do teorii wielkiej unifikacji. Szczegóły zależą od konkretnego rozszerzenia. Można znaleźć modele zgodne z obserwowaną asymetrią materia antymateria [8]; czas pokaże, czy inne aspekty ich przewidywań są zadowalające. Z pewnością stanowią one interesującą możliwość.

230

POSTĘPY FIZYKI TOM 55 ZESZYT 5 ROK 2004