تكوين الباريون

في علم الكونيات الفيزيائي ، تُعرف عملية تكوين الباريونات (أو ما يُسمى أيضًا بالتخليق الباريوني ^{[ 1 ] [ 2 ]} ) بأنها العملية الفيزيائية التي يُفترض أنها حدثت خلال المراحل المبكرة من الكون ، مُنتجةً عدم تناظر الباريونات ، أي ملاحظة وجود المادة ( الباريونات ) فقط دون المادة المضادة (المضادة للباريونات) في الكون (باستثناء ما يحدث في تصادمات الأشعة الكونية ). ^{[ 3 ] [ 4 ] : 22.3.6} وبما أنه يُفترض في علم الكونيات أن الجسيمات التي نراها قد تشكلت باستخدام نفس الفيزياء التي نقيسها اليوم، وبما أن المادة والمادة المضادة متناظرتان دائمًا في تجارب فيزياء الجسيمات الحالية، فإن هيمنة المادة على المادة المضادة تبقى غير مُفسَّرة. ^{[ 5 ]}

تم اقتراح عدد من الآليات النظرية لتفسير هذا التباين، وتحديدًا تحديد الظروف التي تُفضّل كسر التناظر وتكوين المادة العادية (بدلاً من المادة المضادة). يجب أن يكون هذا الخلل ضئيلاً للغاية، في حدود 1 في كل1,630,000,000 ( ≈​​2 × 10⁹ جسيمًا ^بعد جزء صغير من الثانية من الانفجار العظيم. ^{[ 6 ]} بعد فناء معظم المادة والمادة المضادة، لم يتبقَّ سوى المادة الباريونية في الكون الحالي، بالإضافة إلى عدد أكبر بكثير من البوزونات . مع ذلك، تشير التجارب التي نُشرت عام 2010 في مختبر فيرمي إلى أن هذا الخلل أكبر بكثير مما كان يُفترض سابقًا. ^{[ 7 ]} شملت هذه التجارب سلسلة من تصادمات الجسيمات، ووجدت أن كمية المادة المتولدة كانت أكبر بنسبة 1% تقريبًا من كمية المادة المضادة المتولدة. ولا يزال سبب هذا التباين غير معروف.

معظم نظريات التوحيد الكبرى تكسر صراحةً تناظر عدد الباريونات ، وهو ما يفسر هذا التناقض، وعادةً ما تستدعي هذه النظريات تفاعلات تتوسطها بوزونات X ذات كتلة كبيرة جدًا ( X ) أو بوزونات هيغز ذات كتلة كبيرة ( H0 ^).[ ^{8 ] يتحدد معدل حدوث هذه الأحداث إلى حد} كبير بكتلة المركب الوسيط X أو H₂Oبناءً على افتراض أن هذه التفاعلات مسؤولة عن غالبية عدد الباريونات المرصودة اليوم، يمكن حساب كتلة قصوى يصبح عندها معدل التفاعل بطيئًا جدًا بحيث لا يُفسر وجود المادة حاليًا. ^{[ 9 ]} تشير هذه التقديرات إلى أن حجمًا كبيرًا من المادة سيُظهر أحيانًا تحللًا تلقائيًا للبروتون ، وهو ما لم يُرصد. لذلك، يبقى عدم التوازن بين المادة والمادة المضادة لغزًا محيرًا.

تعتمد نظريات تكوين الباريونات على أوصاف مختلفة للتفاعل بين الجسيمات الأساسية. ومن النظريات الرئيسية نظرية تكوين الباريونات الكهروضعيفة ، ^{[ 10 ]} التي تحدث أثناء الانتقال الطوري الكهروضعيف ، ونظرية تكوين الباريونات في إطار التوحيد العظيم ، التي تحدث أثناء أو بعد فترة وجيزة من حقبة التوحيد العظيم . وتُستخدم نظرية الحقل الكمومي والفيزياء الإحصائية لوصف هذه الآليات المحتملة.

يتبع تكوين الباريون عملية التخليق النووي البدائي ، عندما بدأت النوى الذرية في التشكل.

توجد غالبية المادة العادية في الكون في نوى الذرات ، التي تتكون من النيوترونات والبروتونات . ولا يوجد دليل على وجود مادة مضادة بدائية. في الكون ، حوالي بروتون واحد من كل 10000 بروتون هو بروتون مضاد، وهو ما يتوافق مع الإنتاج المستمر الناتج عن الأشعة الكونية. إن وجود مناطق محتملة للمادة المضادة في أجزاء أخرى من الكون يتعارض مع عدم وجود إشعاع غاما خلفي قابل للقياس. ^{[ 5 ] : 36}

علاوة على ذلك، تعتمد التنبؤات الدقيقة لتخليق العناصر في الانفجار العظيم على قيمة عامل عدم تناظر الباريونات (انظر §  العلاقة بتخليق العناصر في الانفجار العظيم ). ويُقيّد التطابق بين تنبؤات نموذج تخليق العناصر وملاحظاته قيمة عامل عدم تناظر الباريونات هذا. على وجه الخصوص، إذا حُسب النموذج بكميات متساوية من الباريونات والباريونات المضادة، فإنها تُفني بعضها بعضًا تمامًا بحيث لا يتبقى ما يكفي من الباريونات لتكوين النيوكليونات. ^{[ 5 ] : 37}

هناك تفسيران رئيسيان لهذا التباين: إما أن الكون بدأ بميل طفيف للمادة ( عدد باريوني إجمالي في الكون لا يساوي الصفر)، أو أن الكون كان متناظرًا تمامًا في الأصل، ولكن ساهمت مجموعة من ظواهر فيزياء الجسيمات بمرور الوقت في اختلال طفيف لصالح المادة. يهدف علم الكونيات في تفسير نشأة الباريونات إلى شرح عامل عدم تناظر الباريونات باستخدام نظرية المجال الكمومي للجسيمات الأولية. ^{[ 5 ] : 37}

في عام 1967، اقترح أندريه ساخاروف ^{[ 11 ]} مجموعة من ثلاثة شروط ضرورية يجب أن يستوفيها تفاعل توليد الباريونات لإنتاج المادة والمادة المضادة بمعدلات مختلفة. استُلهمت هذه الشروط من الاكتشافات الحديثة لخلفية الإشعاع الكوني الميكروي ^{[ 12 ]} وانتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) في نظام الكاون المتعادل . ^{[ 13 ]} شروط ساخاروف الثلاثة الضرورية هي:

• عدد الباريون${\displaystyle B}$انتهاك.
• انتهاك التناظر C والتناظر CP .
• التفاعلات الخارجة عن التوازن الحراري .

يُعدّ انتهاك عدد الباريونات شرطًا ضروريًا لإنتاج فائض من الباريونات على حساب الباريونات المضادة. ولكن انتهاك التناظر C ضروري أيضًا حتى لا تُوازن التفاعلات التي تُنتج عددًا أكبر من الباريونات مقارنةً بالباريونات المضادة بتفاعلات تُنتج عددًا أكبر من الباريونات المضادة مقارنةً بالباريونات. وبالمثل، يُعدّ انتهاك تناظر CP ضروريًا لأنه لولا ذلك، لكانت أعداد الباريونات اليسارية والباريونات المضادة اليمينية متساوية ، وكذلك أعداد الباريونات المضادة اليسارية والباريونات اليمينية. ^{[ 5 ]} أخيرًا، يجب أن تحدث التفاعلات التي تُنتج عدم التناظر قبل الوصول إلى التوازن الحراري لأن المتوسط ​​الحراري لعدم تناظر الباريونات في النموذج القياسي يساوي صفرًا. ^{[ 5 ]}

يمكن للنموذج القياسي أن يتضمن عملية تكوين الباريونات، إلا أن كمية الباريونات (والليبتونات) الناتجة قد لا تكون كافية لتفسير عدم تناظر الباريونات الحالي. يلزم وجود كوارك إضافي واحد لكل مليار زوج من الكواركات والمضادات الكواركية في الكون المبكر لتوفير كل المادة المرصودة في الكون. ^{[ 3 ]} لم يُفسَّر هذا النقص بعد، لا نظريًا ولا غير ذلك.

يتطلب تكوين الباريونات ضمن النموذج القياسي أن يكون كسر التناظر الكهروضعيف انتقالًا طوريًا كونيًا من الدرجة الأولى ، وإلا فإن جسيمات السفاليرون ستمحو أي عدم تناظر باريوني حدث حتى الانتقال الطوري. بعد ذلك، يصبح مقدار التفاعلات غير الحافظة للباريونات المتبقية ضئيلاً. ^{[ 14 ]}

يؤدي جدار نطاق التحول الطوري إلى كسر تناظر P تلقائيًا، مما يسمح للتفاعلات التي تنتهك تناظر CP بكسر تناظر C على كلا جانبيه. تميل الكواركات إلى التراكم على جانب الطور المكسور من جدار النطاق، بينما تميل الكواركات المضادة إلى التراكم على جانب الطور غير المكسور. ^{[ 15 ]} نظرًا لتفاعلات الكهروضعيفة التي تنتهك تناظر CP، فإن بعض السعات التي تشمل الكواركات لا تساوي السعات المقابلة التي تشمل الكواركات المضادة، بل لها طور معاكس (انظر مصفوفة CKM و Kaon )؛ وبما أن انعكاس الزمن يأخذ سعة إلى مرافقها المركب، فإن تناظر CPT محفوظ في هذه العملية برمتها.

على الرغم من أن بعض سعاتها لها أطوار متعاكسة، فإن كلاً من الكواركات والكواركات المضادة تمتلك طاقة موجبة، وبالتالي تكتسب نفس الطور أثناء حركتها في الزمكان. يعتمد هذا الطور أيضًا على كتلتها، وهي متطابقة ولكنها تعتمد على كل من النكهة وقيمة هيغز المتوقعة التي تتغير على طول جدار المجال. ^{[ 16 ]} لذا، فإن بعض مجاميع سعات الكواركات لها قيم مطلقة مختلفة مقارنةً بتلك الخاصة بالكواركات المضادة. إجمالاً، قد يكون للكواركات والكواركات المضادة احتمالات انعكاس وانتقال مختلفة عبر جدار المجال، ويتضح أن عدد الكواركات القادمة من الطور غير المنكسر التي تنتقل أكبر مقارنةً بالكواركات المضادة.

وبالتالي، يوجد تدفق صافٍ للباريونات عبر جدار النطاق. وبسبب تحولات السفاليرون، الوفيرة في الطور غير المنكسر، يُزال المحتوى الصافي للمضادات الباريونية في هذا الطور، حيث تتحول المضادات الباريونية إلى ليبتونات. ^{[ 17 ]} مع ذلك، فإن السفاليرونات نادرة بما يكفي في الطور المنكسر بحيث لا تقضي على فائض الباريونات فيه. إجمالاً، يوجد تكوين صافٍ للباريونات (وكذلك الليبتونات).

في هذا السيناريو، تكون التفاعلات الكهروضعيفة غير الاضطرابية (أي السفاليرون) مسؤولة عن انتهاك B، ويكون لاغرانجيان الكهروضعيف الاضطرابي مسؤولاً عن انتهاك CP، ويكون جدار النطاق مسؤولاً عن عدم التوازن الحراري وانتهاك P؛ بالإضافة إلى انتهاك CP، فإنه يخلق أيضًا انتهاك C في كل جانب من جوانبه. ^{[ 18 ]}

السؤال المحوري في نظرية تكوين الباريونات هو ما الذي يُسبب تفضيل المادة على المادة المضادة في الكون، بالإضافة إلى مقدار هذا التباين. ويُعدّ مُعامل التباين أحد أهمّ المُحددات الكمية ، ويُعطى بالعلاقة التالية:

$${\displaystyle \eta ={\frac {n_{\text{B}}-n_{\bar {\text{B}}}}{n_{\gamma }}},}$$ حيث يشير n _B و n _B إلى الكثافة العددية للباريونات والباريونات المضادة على التوالي، و n _γ هي الكثافة العددية لفوتونات إشعاع الخلفية الكونية . ^{[ 19 ]}

وفقًا لنموذج الانفجار العظيم، انفصلت المادة عن إشعاع الخلفية الكونية عند درجة حرارة تقارب3000 كلفن ، وهو ما يعادل متوسط ​​طاقة حركية قدرها3000  كلفن / (10.08 × 10³ ^كلفن  /إلكترون فولت ) =0.3  إلكترون فولت . بعد فصل الاقتران، يظل العدد الإجمالي لفوتونات CBR ثابتًا. لذلك، وبسبب تمدد الزمكان، تنخفض كثافة الفوتونات. تُعطى كثافة الفوتونات عند درجة حرارة التوازن T بالعلاقة التالية: $$\begin{aligned}n_{\gamma} = \frac{1}{\pi^2}{\left(\frac{k_{\text{B}}T}{\hbar c}\right)^3\int_{0}^{\infty}{\frac{x^2}{e^{x}-1}}dx\\[2pt] = \frac{2\zeta(3)}{\pi^2}{\left(\frac{k_{\text{B}}T}{\hbar c}\right)^3\\[2pt] \approx 20.3\left(\frac{T}{1K}\right)^3\text{cm}^{-3},\end{aligned}}}$$ حيث k_{_B} هو ثابت بولتزمان ، وħ هو ثابت بلانك مقسومًا على 2π ، و c هي سرعة الضوء في الفراغ، و ζ (3) هو ثابت أبيري . ^{[ 19 ]} عند درجة حرارة الفوتون الحالية لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CBR) البالغة2.725  كلفن ، وهذا يتوافق مع كثافة الفوتون n _γ التي تبلغ حوالي 411  فوتون CBR لكل سنتيمتر مكعب.

لذلك، فإن معامل عدم التناظر η ، كما هو مُعرَّف أعلاه، ليس هو المعامل "الأفضل". بدلاً من ذلك، يستخدم معامل عدم التناظر المُفضَّل كثافة الإنتروبيا s . $${\displaystyle \eta _{s}={\frac {n_{\text{B}}-n_{\bar {\text{B}}}}{s}}}$$ لأن كثافة الإنتروبيا في الكون ظلت ثابتة إلى حد معقول طوال معظم مراحل تطوره. كثافة الإنتروبيا هي $${\displaystyle s\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\mathrm {entropy} }{\mathrm {volume} }}={\frac {p+\rho }{T}}={\frac {2\pi ^{2}}{45}}g_{\text{⁎}}(T)T^{3},}$$ مع اعتبار p و ρ الضغط والكثافة من موتر كثافة الطاقة T _μν ، و g _⁎ العدد الفعال لدرجات الحرية للجسيمات "عديمة الكتلة" عند درجة الحرارة T (بقدر ما يتحقق mc ² ≪ ​​k _B T )،$${\displaystyle g_{\text{⁎}}(T)=\sum _{i=\mathrm {bosons} }g_{i}{\left({\frac {T_{i}}{T}}\right)}^{3}+{\frac {7}{8}}\sum _{j=\mathrm {fermions} }g_{j}{\left({\frac {T_{j}}{T}}\right)}^{3},}$$ بالنسبة للبوزونات والفيرميونات ذات درجات الحرية g_{_i} و g_{_j} عند درجتي الحرارة T_{_i} و T_{_j} على التوالي. في الحقبة الحالية، s = 7.04 n _γ . ^{[ 19 ]}

• آلية أفليك-داين
• المبدأ الأنثروبي
• الانفجار العظيم
• التسلسل الزمني للكون
• انتهاك قانون حماية الطفل
• تكوين الليبتونات (الفيزياء)
• ليبتون