Куда исчезло антивещество?

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №12(306), 16 июня 2020 г.

Существует не только гамбургский счет, но и Гамбургский приз, присуждаемый за работы в области теоретической физики. Эта премия — одна из крупнейших научных наград Германии, причем учрежденная не без юмора. Ее размер составляет 137 036 евро — это умноженный на тысячу знаменатель постоянной тонкой структуры, она же — константа электромагнитного взаимодействия «альфа» (1/137,036 с точностью до 6 знаков). Приз этого года присужден Валерию Рубакову за работы по космологии.

Таких работ у Рубакова много, причем они относятся к разным аспектам происхождения Вселенной. Поэтому мы прокомментируем лишь одно направление, отмеченное в пресс-релизе по премии и, пожалуй, наиболее известное: работы в области барионной асимметрии Вселенной.

Изначально проблема барионной асимметрии была отмечена А. Д. Сахаровым, систематически обгонявшим свое время (см. [1]). Почему во Вселенной есть вещество и почти нет антивещества? А если уж так получилось, то почему вещества столь мало — один протон на миллиард реликтовых фотонов, хотя (исходя из соображений термодинамики) их должно быть примерно одинаково? Не получилось ли так, что кварков и антикварков сначала было поровну, потом они стали аннигилировать друг с другом, но в процессе образовался перекос на одну миллиардную в сторону вещества, вот он и остался — одна миллиардная от былой концентрации?

Сахаров очень четко разложил по полочкам, что для этого нужно: нарушение симметрии между частицами и античастицами (СР – нарушение), нарушение закона сохранения барионов, отклонение от термодинамического равновесия в ранней Вселенной. Но в его работе, опередившей время, было трудно дать вразумительный механизм нарушений; особенно это касалось нарушения числа барионов.

Следующий шаг — теория великого объединения: в ней число барионов нарушается естественным образом. В работе Вадима Кузьмина 1970 года барионная асимметрия строится на теории великого объединения — появилась твердая почва под ногами теоретиков, хотя сценарий оказался слишком «зажатым»: всё должно было свершиться в определенном узком интервале времени в очень ранней Вселенной.

Следующий шаг был сделан благодаря идее Рубакова о том, что число барионов (кварков) может не сохраняться из-за прекрасно известных электрослабых взаимодействий: для этого требуется сильное внешнее воздействие на систему кварков. Изначально Валерий придумал «эффект Рубакова», где на протон оказывается воздействие тяжелым магнитным монополем (монополь т’Хоофта — Полякова, есть такой зверь в теории) и протон распадается. Затем они вместе с Вадимом Кузьминым и Михаилом Шапошниковым применили эту идею к космологии и опубликовали статью [2], которая набрала уже более трех тысяч цитирований. Их идея резко расширила набор и временной интервал возможностей для генерации барионной асимметрии — оказалось, что она может протекать вплоть до температур порядка 100 ГэВ (почти микросекунду). Статья открыла широкое поле деятельности, которое продолжил разрабатывать и сам Валерий Рубаков, и другие авторы.

1. Рубаков В., Штерн Б. Сахаров и Космология.
2. Kuzmin V. A., Rubakov V. A., Shaposhnikov M. E. On anomalous electroweak baryon-number non-conservation in the early universe. Physics Letters B, Volume 155, Issues 1–2, 16 May 1985, pages 36–42. doi.org/10.1016/0370–2693(85)91028–7
3. Valery Rubakov erhält Hamburger Preis für Theoretische Physik 2020