बेरिऑन असममिति

भौतिक ब्रह्माण्ड विज्ञान में, बेरोन विषमता समस्या, जिसे पदार्थ विषमता समस्या या द्रव्य-प्रतिपदार्थ विषमता समस्या के रूप में भी जाना जाता है, अवलोकन योग्य ब्रह्मांड में बैरोनिक पदार्थ (रोजमर्रा की जिंदगी में अनुभव किए जाने वाले पदार्थ का प्रकार) और एंटीबैरोनिक पदार्थ में देखा गया असंतुलन है। न तो कण भौतिकी का मानक मॉडल और न ही सामान्य सापेक्षता का सिद्धांत इस बारे में कोई ज्ञात स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि ऐसा क्यों होना चाहिए, और यह एक स्वाभाविक धारणा है कि ब्रह्मांड सभी संरक्षित आवेशों (भौतिकी) के साथ तटस्थ है। महा विस्फोट को समान मात्रा में पदार्थ और  antimatter  का उत्पादन करना चाहिए था। चूंकि ऐसा प्रतीत नहीं होता है, इसलिए यह संभव है कि कुछ भौतिक नियमों ने अलग तरह से कार्य किया होगा या पदार्थ और एंटी मामला  के लिए मौजूद नहीं थे। पदार्थ और एंटीमैटर के असंतुलन की व्याख्या करने के लिए कई प्रतिस्पर्धी परिकल्पनाएं मौजूद हैं, जिसके परिणामस्वरूप बेरियोजेनेसिस हुआ। हालांकि, इस घटना की व्याख्या करने के लिए अभी तक कोई आम सहमति सिद्धांत नहीं है, जिसे भौतिकी में अनसुलझी समस्याओं की सूची में से एक के रूप में वर्णित किया गया है।

सखारोव की स्थिति
1967 में, आंद्रेई सखारोव ने अध्यक्षता की तीन आवश्यक शर्तों का एक सेट जो एक बैरोन-जनरेटिंग इंटरेक्शन को अलग-अलग दरों पर पदार्थ और एंटीमैटर का उत्पादन करने के लिए संतुष्ट करना चाहिए। ये स्थितियाँ ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण की हाल की खोजों से प्रेरित थीं और तटस्थ खाना प्रणाली में सीपी उल्लंघन। तीन आवश्यक सखारोव शर्तें हैं:
 * बेरिऑन संख्या $$B$$ उल्लंघन।
 * सी-समरूपता और सीपी-समरूपता का उल्लंघन।
 * थर्मल संतुलन से बाहर की बातचीत।

बेरिऑन नंबर का उल्लंघन
बेरिऑन संख्या का उल्लंघन एंटी-बैरिअन्स पर बेरिअन्स की अधिकता पैदा करने के लिए एक आवश्यक शर्त है। लेकिन सी-समरूपता के उल्लंघन की भी आवश्यकता है ताकि जो इंटरेक्शन एंटी-बैरोन की तुलना में अधिक बैरोन का उत्पादन करते हैं, वे इंटरेक्शन से असंतुलित नहीं होंगे जो बैरन की तुलना में अधिक एंटी-बैरियन पैदा करते हैं। सीपी-समरूपता का उल्लंघन इसी तरह आवश्यक है क्योंकि अन्यथा समान संख्या में चिरलिटी (भौतिकी) # चिरलिटी और हेलिसिटी | बाएं हाथ के बेरोन और चिरलिटी (भौतिकी) # चिरलिटी और हेलिसिटी | दाएं हाथ के एंटी-बैरियन का उत्पादन किया जाएगा, साथ ही समान संख्या में बाएं हाथ के एंटी-बैरियन और दाएं हाथ के बैरन। अंत में, बातचीत थर्मल संतुलन से बाहर होनी चाहिए, क्योंकि अन्यथा सीपीटी समरूपता बेरोन संख्या को बढ़ाने और घटाने वाली प्रक्रियाओं के बीच मुआवजे का आश्वासन देगी। वर्तमान में, कण अंतःक्रियाओं का कोई प्रायोगिक साक्ष्य नहीं है जहां बेरिऑन संख्या का संरक्षण टूट गया है। गड़बड़ी सिद्धांत (क्वांटम यांत्रिकी): यह सुझाव देने के लिए प्रतीत होता है कि सभी देखी गई कण प्रतिक्रियाओं में पहले और बाद में बेरिऑन संख्या बराबर होती है। गणितीय रूप से, बेरोन नंबर ऑपरेटर की राशि का कम्यूटेटर (परटर्बेटिव) स्टैंडर्ड मॉडल हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) के साथ शून्य है: $$[B,H] = BH - HB = 0$$. हालांकि, मानक मॉडल केवल गैर-विक्षुब्ध रूप से बैरियन संख्या के संरक्षण का उल्लंघन करने के लिए जाना जाता है: एक वैश्विक यू (1) विसंगति। बैरियोजेनेसिस में बैरियोन उल्लंघन के लिए, ऐसी घटनाएं (प्रोटॉन क्षय सहित) महा एकीकरण सिद्धांत (जीयूटीएस) और सुपरसिमेट्री (एसयूएसवाई) मॉडल में एक्स और वाई बोसोन जैसे काल्पनिक बड़े पैमाने पर बोसोन के माध्यम से हो सकती हैं।

सीपी-समरूपता उल्लंघन
बेरोन विषमता उत्पन्न करने के लिए दूसरी शर्त - आवेश-समता समरूपता का उल्लंघन - यह है कि एक प्रक्रिया अपने एंटीमैटर समकक्ष के लिए एक अलग दर पर होने में सक्षम है। मानक मॉडल में, सीपी उल्लंघन कमजोर बातचीत के सीकेएम मैट्रिक्स में एक जटिल चरण के रूप में प्रकट होता है। पीएमएनएस मैट्रिक्स में एक गैर-शून्य सीपी-उल्लंघन करने वाला चरण भी हो सकता है, लेकिन यह वर्तमान में अनिर्धारित है। बुनियादी भौतिक सिद्धांतों की श्रृंखला में सबसे पहले चिएन-शिउंग वू|चिएन-शिउंग वू के वू प्रयोग के माध्यम से समता का उल्लंघन किया गया। इसके कारण सीपी उल्लंघन को 1964 के फिच-क्रोनिन प्रयोग में तटस्थ काओन के साथ सत्यापित किया गया, जिसके परिणामस्वरूप 1980 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार मिला (प्रत्यक्ष सीपी उल्लंघन, जो क्षय प्रक्रिया में सीपी समरूपता का उल्लंघन है, बाद में 1999 में खोजा गया था). सीपीटी समरूपता के कारण, सीपी समरूपता का उल्लंघन समय व्युत्क्रम समरूपता, या टी-समरूपता के उल्लंघन की मांग करता है। मानक मॉडल में सीपी उल्लंघन के लिए छूट के बावजूद, ब्रह्मांड की देखी गई बेरोन विषमता (बीएयू) के लिए खाते में अपर्याप्त है, बैरियन संख्या उल्लंघन पर सीमाएं दी गई हैं, जिसका अर्थ है कि मानक मॉडल से परे भौतिकी। मानक मॉडल से परे स्रोतों की आवश्यकता है.

LHC संचालन के पहले तीन वर्षों (मार्च 2010 से शुरू) के दौरान LHCb प्रयोग सहयोग द्वारा लार्ज हैड्रान कोलाइडर | लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) में CP उल्लंघन का एक संभावित नया स्रोत पाया गया। प्रयोग ने दो कणों के क्षय का विश्लेषण किया, लैम्ब्डा बैरियन (Λb0) और इसके प्रतिकण, और क्षय उत्पादों के वितरण की तुलना की। डेटा ने सीपी-उल्लंघन संवेदनशील मात्रा के 20% तक की विषमता दिखाई, जिसका अर्थ है सीपी-समरूपता का टूटना। एलएचसी के बाद के रन से अधिक डेटा द्वारा इस विश्लेषण की पुष्टि करने की आवश्यकता होगी।

तापीय संतुलन से बाहर अन्योन्यक्रिया
आउट-ऑफ-संतुलन क्षय परिदृश्य में, अंतिम शर्त बताती है कि एक प्रतिक्रिया की दर जो बैरोन-असममिति उत्पन्न करती है, ब्रह्मांड के विस्तार की दर से कम होनी चाहिए। इस स्थिति में कण और उनके संगत प्रतिकण तेजी से विस्तार के कारण तापीय संतुलन प्राप्त नहीं कर पाते जिससे युग्म-विलोपन की घटना घट जाती है।

ब्रह्मांड के क्षेत्र जहां एंटीमैटर हावी है
स्पष्ट बेरोन विषमता का एक अन्य संभावित स्पष्टीकरण यह है कि पदार्थ और एंटीमैटर अनिवार्य रूप से ब्रह्मांड के अलग-अलग, व्यापक रूप से दूर के क्षेत्रों में अलग हो जाते हैं। एंटीमैटर आकाशगंगाओं के गठन को मूल रूप से बैरोन विषमता की व्याख्या करने के लिए सोचा गया था, क्योंकि दूर से, एंटीमैटर परमाणु पदार्थ परमाणुओं से अप्रभेद्य होते हैं; दोनों एक ही तरह से प्रकाश (फोटॉन) उत्पन्न करते हैं। पदार्थ और एंटीमैटर क्षेत्रों के बीच की सीमा के साथ, हालांकि, विलोपन (और गामा विकिरण के बाद के उत्पादन) का पता लगाया जा सकता है, जो इसकी दूरी और पदार्थ और एंटीमैटर के घनत्व पर निर्भर करता है। ऐसी सीमाएँ, यदि वे मौजूद हैं, तो संभवतः गहरे अंतरिक्षीय अंतरिक्ष में स्थित होंगी। इंटरगैलेक्टिक अंतरिक्ष में पदार्थ का घनत्व यथोचित रूप से लगभग एक परमाणु प्रति घन मीटर पर स्थापित है। यह मानते हुए कि यह एक सीमा के पास एक विशिष्ट घनत्व है, सीमा संपर्क क्षेत्र की गामा किरण चमक की गणना की जा सकती है। ऐसे किसी भी क्षेत्र का पता नहीं चला है, लेकिन 30 वर्षों के शोध ने इस बात की सीमा तय कर दी है कि वे कितनी दूर हो सकते हैं। इस तरह के विश्लेषणों के आधार पर, अब यह असंभव माना जाता है कि देखने योग्य ब्रह्मांड के भीतर किसी भी क्षेत्र में एंटीमैटर का वर्चस्व है।

विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण
किसी मूलभूत कण में विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण (ईडीएम) की उपस्थिति समता (पी) और समय (टी) दोनों समरूपताओं का उल्लंघन करेगी। इस प्रकार, एक ईडीएम पदार्थ और एंटीमैटर को अलग-अलग दरों पर क्षय करने की अनुमति देगा, जिससे आज के रूप में संभावित पदार्थ-एंटीमैटर विषमता हो सकती है। विभिन्न भौतिक कणों के ईडीएम को मापने के लिए वर्तमान में कई प्रयोग किए जा रहे हैं। सभी माप वर्तमान में बिना द्विध्रुवीय क्षण के संगत हैं। हालाँकि, परिणाम समरूपता उल्लंघन की मात्रा पर कठोर प्रतिबंध लगाते हैं जो एक भौतिक मॉडल अनुमति दे सकता है। सबसे हालिया EDM सीमा, 2014 में प्रकाशित हुई, ACME सहयोग की थी, जिसने थोरियम मोनोऑक्साइड (ThO) अणुओं के स्पंदित बीम का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन के EDM को मापा।

दर्पण विरोधी ब्रह्मांड
ब्रह्मांड की स्थिति, जैसा कि यह है, सीपीटी समरूपता का उल्लंघन नहीं करती है, क्योंकि बिग बैंग को दो तरफा घटना के रूप में माना जा सकता है, दोनों शास्त्रीय और क्वांटम यांत्रिक रूप से, ब्रह्मांड-विरोधी ब्रह्मांड जोड़ी से मिलकर। इसका मतलब है कि यह ब्रह्मांड ब्रह्मांड-विरोधी का आवेश (C), समता (P) और समय (T) छवि है। यह जोड़ी बिग बैंग युगों से निकलकर सीधे गर्म, विकिरण-प्रभुत्व वाले युग में नहीं आई। प्रतिब्रह्मांड बिग बैंग से समय यात्रा प्रवाहित करेगा, जितना बड़ा होगा उतना बड़ा होगा, और एंटीमैटर का प्रभुत्व भी होगा। हमारे ब्रह्मांड में उन लोगों की तुलना में इसके स्थानिक गुण उलटे हैं, जो एक निर्वात में इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन जोड़े बनाने के समान स्थिति है। कनाडा में सैद्धांतिक भौतिकी के लिए परिधि संस्थान के भौतिकविदों द्वारा तैयार किया गया यह मॉडल प्रस्तावित करता है कि ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि  (CMB) में तापमान में उतार-चढ़ाव बिग बैंग विलक्षणता के पास स्पेस-टाइम की क्वांटम-मैकेनिकल प्रकृति के कारण होता है। इसका मतलब यह है कि हमारे ब्रह्मांड के भविष्य में एक बिंदु और एंटीयूनिवर्स के सुदूर अतीत में एक बिंदु निश्चित शास्त्रीय बिंदु प्रदान करेगा, जबकि सभी संभावित क्वांटम-आधारित क्रमपरिवर्तन बीच में मौजूद होंगे। अनिश्चितता का सिद्धांत ब्रह्मांड और प्रति ब्रह्मांड को एक दूसरे की सटीक दर्पण छवि नहीं होने का कारण बनता है। इस मॉडल ने यह नहीं दिखाया है कि क्या यह मुद्रास्फीति के परिदृश्य के बारे में कुछ टिप्पणियों को पुन: पेश कर सकता है, जैसे बड़े पैमाने पर ब्रह्मांड की एकरूपता की व्याख्या करना। हालाँकि, यह गहरे द्रव्य  के लिए एक प्राकृतिक और सीधी व्याख्या प्रदान करता है। इस तरह की एक ब्रह्मांड-विरोधी जोड़ी बड़ी संख्या में अतिभारी न्युट्रीनो का उत्पादन करेगी, जिसे बाँझ न्यूट्रिनो के रूप में भी जाना जाता है। ये न्यूट्रिनो उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों के हाल ही में देखे गए विस्फोटों के स्रोत भी हो सकते हैं।

बेरियन विषमता पैरामीटर
फिर भौतिकी के सिद्धांतों की चुनौती यह है कि एंटीमैटर पर पदार्थ की प्रबलता और इस विषमता के परिमाण को कैसे उत्पन्न किया जाए, इसकी व्याख्या की जाए। विषमता पैरामीटर एक महत्वपूर्ण क्वांटिफायर है,
 * $$\eta = \frac{n_B - n_{\bar B}}{n_\gamma}.$$

यह मात्रा बेरोन और एंटीबार्यॉन के बीच समग्र संख्या घनत्व अंतर से संबंधित है (एनB और n$\overline{B}$, क्रमशः) और ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण फोटोन की संख्या घनत्व nγ.

बिग बैंग मॉडल के अनुसार, ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण (सीबीआर) से लगभग के तापमान पर पदार्थ अलग हो गया $3,000$ केल्विन, की औसत गतिज ऊर्जा के अनुरूप $3,000 K$ / ($10.08 K/eV$) = $0.3 eV$. डिकूप्लिंग के बाद, सीबीआर फोटोन की कुल संख्या स्थिर रहती है। इसलिए, अंतरिक्ष-समय के विस्तार के कारण फोटॉन घनत्व कम हो जाता है। संतुलन तापमान T प्रति घन सेंटीमीटर पर फोटॉन घनत्व द्वारा दिया जाता है
 * $$n_\gamma = \frac{1}{\pi^2} \left(\frac{k_B T}{\hbar c}\right)^3 \int_0^\infty \frac{x^2}{e^x - 1} \, dx =

\frac{2\zeta(3)}{\pi^2} \left(\frac{k_B T}{\hbar c}\right)^3 \approx 20.3 \left(\frac{T}{1\text{K}}\right)^3 \text{cm}^{-3}, $$ के साथB बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक के रूप में, ħ प्लैंक स्थिरांक के रूप में 2 से विभाजित$\pi$ और c निर्वात में प्रकाश की गति के रूप में, और ζ(3) एपेरी स्थिरांक के रूप में। वर्तमान सीबीआर फोटॉन तापमान पर $2.725 K$, यह एक फोटॉन घनत्व n के अनुरूप हैγ लगभग 411 सीबीआर फोटोन प्रति घन सेंटीमीटर।

इसलिए, विषमता पैरामीटर η, जैसा कि ऊपर परिभाषित किया गया है, अच्छा पैरामीटर नहीं है। इसके बजाय, पसंदीदा विषमता पैरामीटर एन्ट्रापी घनत्व एस का उपयोग करता है,
 * $$\eta_s = \frac{n_B - n_{\bar B}}{s}$$

क्योंकि ब्रह्मांड का एन्ट्रापी घनत्व इसके अधिकांश विकास के दौरान यथोचित रूप से स्थिर रहा। एन्ट्रापी घनत्व है
 * $$s \ \stackrel{\mathrm{def}}{=}\ \frac{\mathrm{entropy}}{\mathrm{volume}} = \frac{p + \rho}{T} = \frac{2\pi^2}{45}g_{*}(T) T^3$$

ऊर्जा घनत्व टेंसर टी से दबाव और घनत्व के रूप में पी और ρ के साथμν, और जी* द्रव्यमान रहित कणों के लिए स्वतंत्रता की डिग्री की प्रभावी संख्या के रूप में (जैसे mc 2 ≪ कBT धारण करता है) तापमान T पर,
 * $$g_*(T) = \sum_{i=\mathrm{bosons}} g_i \left(\frac{T_i}{T}\right)^3 + \frac{7}{8}\sum_{j=\mathrm{fermions}} g_j{\left(\frac{T_j}{T}\right)}^3$$,

जी के साथ बोसोन और फ़र्मियन के लिएi और जीj तापमान पर स्वतंत्रता की डिग्री टीi और टीj क्रमश। वर्तमान में, एस =$n_{γ}7.04$.

यह भी देखें

 * बैरियोजेनेसिस
 * सीपी उल्लंघन
 * भौतिकी में अनसुलझी समस्याओं की सूची#ब्रह्मांड विज्ञान और सामान्य सापेक्षता