Барионная материя

То «обычное» вещество Вселенной, из которого состоят Земля (и все, что на ней), другие планеты и звезды, — это барионы (протоны, нейтроны) и электроны в числе, равном числу протонов. Это нерелятивистская среда с пренебрежимо малым (по сравнению с плотностью ее энергии) давлением; уравнение состояния в этом случае рв — 0.

С этим обычным веществом, казалось бы, все ясно. Эта форма материи наблюдаема либо в оптическом, либо в радио, либо в других диапазонах длин волн. Тем не менее, имеется существенная проблема, связанная именно с этой, казалось бы, хорошо изученной формой материи, которая заключается в том, что соответствующих античастиц, т. е. антибарионов (антипротонов, антинейтронов), позитронов в природе нет. Точнее, они присутствуют в ничтожных количествах и обязаны вторичным процессам рождения частиц и античастиц при столкновениях частиц высоких энергий, например, в космических лучах или на мощных ускорителях в лаборатории.

Численную меру такого рода зарядовой асимметрии можно определить, зная современные значения плотности барионов и реликтового излучения (о нем см. ниже). Дело в том, что в горячей ранней Вселенной, при высоких температурах, превышающих массу покоя барионов, барионы и антибарионы (а точнее, составляющие их кварки и антикварки) должны были присутствовать

в почти равных количествах, причем концентрация (число частиц в единице объема) тех и других должна была почти точно совпадать с концентрацией реликтовых фотонов. Позднее, после того как произошла аннигиляция барионов и антибарионов, избыток частиц над античастицами уцелел и дал современное наблюдаемое значение плотности барионов. Так как с тех пор число реликтовых фотонов не менялось (практически) в сопутствующем объеме, то современное отношение концентрации барионов к концентрации реликтовых фотонов дает отношение исходного избыточного числа барионов к их исходному полному числу. При современной плотности барионов

(1.43)

их концентрация составляет в среднем

(1.44)

Концентрация же реликтовых фотонов в современную эпоху

(1.45)

Так получается величина отношения

(1.46)

которая не зависит от времени и называется космическим бари-онным числом. Это число и служит мерой зарядовой асимметрии мира по отношению к барионам и антибарионам. Именно это малое безразмерное космическое число (вернее, физика, которая за ним стоит) обеспечило выживание обычного вещества в ранней эволюционирующей Вселенной и его существование в сегодняшнем мире.