Барионное число — 3/4. «Как кто убил?.. … да вы убили, Родион Романыч! Вы и убили-с…»

В прошлом посте мы выяснили, что все ренормируемые взаимодействия Стандартной модели автоматически сохраняют барионное число.

Но эти рассуждения были на уровне классической теории. После квантования некоторые её симметрии могут нарушаться. Например, некоторый заряд сохраняется в классической теории и может не сохраняться в квантовой. Странно? Да уж! Если не сказать сильнее. Такое явление называется квантовой аномалией.

Название хорошо отражает степень изумления теоретиков. С квантовыми аномалиями связана занятная история. В 1949 году молодой Джек Штейнбергер рассчитывал распад нейтрального пиона на два фотона и столкнулся в треугольной диаграмме с тем самым эффектом, который много лет спустя назовут аксиальной аномалией.

Согласно красивой легенде, этот результат настолько его изумил, что Штейнбергер решил оставить теорию и заняться экспериментом.
Сам он позднее объяснял свой переход несколько прозаичнее — конкурировать с молодыми теоретиками вроде Дайсона ему было тяжело, а в Беркли появились великолепные экспериментальные возможности. Решение оказалось удачным. В 1988 году Штейнбергер получил Нобелевскую премию — уже как экспериментатор, за открытие мюонного нейтрино.

Вернемся к барионному числу в Стандартной модели.

На квантовом уровне ток барионного числа уже не сохраняется строго. Причём вместе с ним нарушается и лептонное число. Стандартная модель допускает процессы, в которых

ΔB = ΔL = 3.

Почему именно 3? Потому что у нас три поколения кварков и лептонов. Схематически в одном таком переходе участвуют девять кварков и три лептона. Девять кварков несут B = 3, три лептона — L = 3. При этом разность

B − L

сохраняется.

Откуда берутся такие переходы?

У электрослабого поля есть не один вакуум, а бесконечное семейство состояний с одинаковой минимальной энергией, отличающихся своей топологией. Между соседними вакуумами есть энергетический барьер. Переход из одного вакуума в другой как раз и сопровождается изменением барионного и лептонного чисел.

При низких температурах переход между соседними вакуумами требует квантового туннелирования через барьер. Вероятность такого процесса ничтожно мала. Поэтому барионы вокруг нас никуда не исчезают.

Но в горячей ранней Вселенной ситуация была другой. При достаточно высокой температуре система может не туннелировать сквозь барьер, а перевалить через него.

На вершине этого барьера находится особая конфигурация электрослабого поля — сфалерон.

Сфалерон —это неустойчивое состояние уже известных полей Стандартной модели. Оказавшись около вершины барьера, система сваливается в один из соседних вакуумов, и барионное число меняется.

Сфалеронное решение нашли в 1984 году Франс Клинкхамер и Николас Мэнтон. А уже в 1985 году Валерий Кузьмин, Валерий Рубаков и Михаил Шапошников поняли его значение для космологии: при высоких температурах переходы между электрослабыми вакуумами могут происходить достаточно быстро и эффективно менять барионное и лептонное числа ранней Вселенной.

Получается занятная ситуация. Сегодня барионное число сохраняется с фантастической точностью. Но сама Стандартная модель не считает его абсолютным законом природы. А в горячей Вселенной нарушение барионного числа могло быть вполне обычным процессом.

Наша Вселенная состоит из вещества. Почему после Большого взрыва вещества оказалось больше, чем антивещества?

И здесь нарушение барионного числа уже не проблема. Оно просто необходимо.

1 • 2 • 3 • 4