बैरियोजेनेसिस

भौतिक ब्रह्माण्ड विज्ञान में, बैरियोजेनेसिस (बैरियोसिंथेसिस के रूप में भी जाना जाता है) एक भौतिक प्रक्रिया है, जिसकी परिकल्पना प्रारंभिक ब्रह्मांड के समय बैरोनिक विषमता, यानी पदार्थ (बैरिऑन) और प्रतिद्रव्य (प्रतिबैरियोन) के असंतुलन को देखे गए ब्रह्मांड में उत्पन्न करने के लिए की गई थी।

आधुनिक भौतिकी की उत्कृष्ट समस्याओं में से एक ब्रह्मांड में प्रतिद्रव्य पर पदार्थ की प्रबलता है। ब्रह्मांड, संपूर्ण रूप में, गैर-शून्य सकारात्मक बेरोन संख्या घनत्व प्रतीत होता है। चूँकि भौतिक ब्रह्माण्ड विज्ञान में यह माना जाता है कि हम जो कण देखते हैं वे उसी भौतिकी का उपयोग करके बनाए गए थे जिसे हम आज मापते हैं, सामान्य रूप से यह अपेक्षा की जाती है कि समग्र बेरोन संख्या शून्य होनी चाहिए, क्योंकि पदार्थ और प्रतिद्रव्य को समान मात्रा में बनाया जाना चाहिए था। इस विसंगति के लिए कई सैद्धांतिक तंत्र प्रस्तावित हैं, अर्थात् उन स्थितियों की पहचान करना जो समरूपता को तोड़ने और सामान्य पदार्थ के निर्माण (प्रतिद्रव्य के विपरीत) के पक्ष में हैं। प्रत्येक में 1 के क्रम में यह असंतुलन असाधारण रूप से छोटा होना चाहिए 1630000000 (≈2×10⁹) महा विस्फोट के बाद एक सेकंड के एक छोटे से अंश के कण हैं। अधिकांश पदार्थ और प्रतिद्रव्य के नष्ट हो जाने के बाद, वर्तमान ब्रह्मांड में बहुत अधिक संख्या में बोसॉन के साथ-साथ सभी बैरोनिक पदार्थ बने रहे। फर्मिलैब में 2010 में प्रतिवेदन किए गए प्रयोग, हालांकि, यह दिखाते हैं कि यह असंतुलन पहले की तुलना में बहुत अधिक है। इन प्रयोगों में कण टकराव की एक श्रृंखला सम्मिलित थी और पाया गया कि उत्पन्न पदार्थ की मात्रा उत्पन्न प्रतिद्रव्य की मात्रा से लगभग 1% अधिक थी। इस विसंगति का कारण अभी तक ज्ञात नहीं है।

अधिकांश भव्य एकीकृत सिद्धांत बेरोन संख्या समरूपता को स्पष्ट रूप से तोड़ते हैं, जो इस विसंगति के लिए उत्तरदायी होगा, सामान्यतः बहुत बड़े एक्स बोसोन द्वारा (
X
) या बड़े मापक्रम पर हिग्स बॉसन (
H⁰
) मध्यस्थता वाली प्रतिक्रियाओं को आमंत्रित करता है। जिस दर पर ये घटनाएँ घटित होती हैं, वह बड़े मापक्रम
X
या
H⁰
कण पर मध्यवर्ती के द्रव्यमान द्वारा नियंत्रित होती है, इसलिए यह मानकर कि ये प्रतिक्रियाएं आज देखी जाने वाली अधिकांश बेरोन संख्या के लिए उत्तरदायी हैं, एक अधिकतम द्रव्यमान की गणना की जा सकती है जिसके ऊपर आज पदार्थ की उपस्थिति की व्याख्या करने के लिए दर बहुत धीमी होगी। ये अनुमान भविष्यवाणी करते हैं कि सामग्री की एक बड़ी मात्रा कभी-कभी एक सहज प्रोटॉन क्षय प्रदर्शित करेगी, जिसे देखा नहीं गया है। इसलिए पदार्थ और प्रतिपदार्थ के बीच असंतुलन एक रहस्य बना हुआ है।

बैरियोजेनेसिस सिद्धांत मौलिक कणों के बीच परस्पर क्रिया के विभिन्न विवरणों पर आधारित हैं। दो मुख्य सिद्धांत हैं विद्युत बेरियोजेनेसिस (मानक प्रतिरूप), जो विद्युत् दुर्बल युग के समय होता है, और सर्वोच्च एकीकृत सिद्धांत बैरोजेनेसिस, जो भव्य एकीकरण युग के समय या उसके तुरंत बाद होता है। ऐसे संभावित तंत्रों का वर्णन करने के लिए परिमाण क्षेत्र सिद्धांत और सांख्यिकीय भौतिकी का उपयोग किया जाता है।

जब परमाणु नाभिक बनने लगते हैं तब बैरियोजेनेसिस के बाद आदियुगीन महा विस्फोट न्यूक्लियोसिंथेसिस होता है।

पृष्ठभूमि

ब्रह्मांड में अधिकांश सामान्य पदार्थ परमाणु नाभिक में पाए जाते हैं, जो न्यूट्रॉन और प्रोटॉन से बने होते हैं। ये न्यूक्लियॉन क्वार्क नामक छोटे कणों से बने होते हैं, और 1928 में डायराक समीकरण द्वारा प्रत्येक के लिए प्रतिद्रव्य के अस्तित्व की भविष्यवाणी की जाती है। तब से, प्रत्येक प्रकार के प्रतिक्वार्क को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया गया है। महा विस्फोट की जांच करने वाली परिकल्पनाओं ने क्वार्क और प्रतिक्वार्क की लगभग समान संख्या वाली संरचना की भविष्यवाणी की है। एक बार ब्रह्मांड का विस्तार हुआ और लगभग एक महत्वपूर्ण बिंदु (ऊष्मागतिकी) 2×10¹² K तक ठंडा हो गया, क्वार्क सामान्य पदार्थ और प्रतिद्रव्य में संयुक्त हो गए और पांच बिलियन में लगभग एक भाग के छोटे प्रारंभिक पदार्थ-प्रतिपदार्थ विषमता तक विलोपन के लिए आगे बढ़े, इस स्तिथि को हमारे चारों ओर छोड़ दिया। नि: शुल्क और अलग-अलग व्यक्तिगत क्वार्क और प्रतिक्वार्क को प्रयोगों में कभी नहीं देखा गया है- क्वार्क और प्रतिक्वार्क हमेशा तीन (बैरिऑन) के समूह में पाए जाते हैं, या क्वार्क-प्रतिक्वार्क जोड़े (मेसन) में बंधे होते हैं। इसी तरह, कोई प्रायोगिक साक्ष्य नहीं है कि देखने योग्य ब्रह्मांड में प्रतिद्रव्य की कोई महत्वपूर्ण सांद्रता है।

इस असमानता के लिए दो मुख्य व्याख्याएं हैं: या तो ब्रह्मांड पदार्थ के लिए एक छोटी वरीयता के साथ प्रारम्भ हुआ (ब्रह्मांड की कुल बेरोन संख्या शून्य से अलग है), या ब्रह्मांड मूल रूप से पूरी तरह से सममित था, लेकिन किसी तरह घटना का एक सम्मुच्चय एक छोटे से असंतुलन में समय के साथ स्तिथि के पक्ष में योगदान देता है। दूसरे दृष्टिकोण को प्राथमिकता दी जाती है, हालांकि कोई भी स्पष्ट प्रायोगिक साक्ष्य नहीं है जो दर्शाता है कि उनमें से कोई भी सही है।

सखारोव स्थितियों के तहत अच्छा बैरोजेनेसिस

1967 में, आंद्रेई सखारोव ने [10] तीन आवश्यक स्तिथियों का एक सम्मुच्चय प्रस्तावित किया था, जिसे एक बैरियन-उत्पादक पारस्परिक प्रभाव को अलग-अलग दरों पर पदार्थ और प्रतिद्रव्य के उत्पादन के लिए संतुष्ट करना चाहिए। ये स्थितियाँ ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण और तटस्थ केऑन प्रणाली में सीपी-उल्लंघन की हाल की खोजों से प्रेरित थीं। तीन आवश्यक सखारोव स्तिथिें हैं:

• बेरिऑन संख्या $B$ उल्लंघन।
• सी-समरूपता और सीपी-समरूपता का उल्लंघन।
• तापीय संतुलन से बाहर होने वाली सहभागिता।

बेरिऑन संख्या का उल्लंघन प्रति-बैरिअन्स पर बेरिअन्स की अधिकता उत्पन्न करने के लिए एक आवश्यक स्तिथि है। लेकिन सी-समरूपता के उल्लंघन की भी आवश्यकता है ताकि जो पारस्परिक प्रभाव प्रति-बैरोन की तुलना में अधिक बैरोन का उत्पादन करते हैं, वे पारस्परिक प्रभाव से असंतुलित नहीं होंगे जो बैरन की तुलना में अधिक प्रति-बैरियन उत्पन्न करते हैं। सीपी-समरूपता उल्लंघन की भी इसी तरह आवश्यकता होती है क्योंकि अन्यथा समान संख्या में बाएं हाथ के बैरन और दाएं हाथ के प्रति-बैरियन का उत्पादन किया जाएगा, साथ ही साथ बाएं हाथ के प्रति-बैरियन और दाएं हाथ के बैरन की समान संख्या का उत्पादन किया जाएगा। अंत में, पारस्परिक प्रभाव ऊष्मीय संतुलन से बाहर होनी चाहिए, क्योंकि अन्यथा सीपीटी समरूपता बेरोन संख्या को बढ़ाने और घटाने वाली प्रक्रियाओं के बीच क्षतिपूरण का आश्वासन देगी।

वर्तमान में, कण अंतःक्रियाओं का कोई प्रायोगिक साक्ष्य नहीं है जहां बेरिऑन संख्या का संरक्षण टूट गया है। क्षोभ सिद्धांत (परिमाण 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, बेरिऑन संख्या परिमाण संचालक का दिक्परिवर्तक मानक प्रतिरूप हैमिल्टन के साथ शून्य है: $[B,H]=BH-HB=0$। हालांकि, मानक प्रतिरूप केवल गैर-विक्षुब्ध रूप से बैरियन संख्या के संरक्षण का उल्लंघन करने के लिए जाना जाता है: एक वैश्विक u (1) विसंगति। बैरियोजेनेसिस में बैरियोन उल्लंघन के लिए, ऐसी घटनाएं (प्रोटॉन क्षय सहित) महा एकीकरण सिद्धांत (जीयूटीएस) और अति सममित (एसयूएसवाई) प्रतिरूप में एक्स और वाई बोसोन जैसे काल्पनिक बड़े मापक्रम पर बोसोन के माध्यम से हो सकती हैं।

दूसरी स्थिति - सीपी-समरूपता का उल्लंघन - 1964 में खोजा गया था (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।

संतुलन से बाहर क्षय परिदृश्य में, अंतिम स्तिथि 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।

मानक प्रतिरूप के भीतर बैरियोजेनेसिस

मानक प्रतिरूप बेरियोजेनेसिस को सम्मिलित कर सकता है, हालांकि इस प्रकार बनाए गए शुद्ध बेरोन (और लेप्टान) की मात्रा वर्तमान बेरोन विषमता के लिए पर्याप्त नहीं हो सकती है। प्रारंभिक ब्रह्मांड में प्रति अरब क्वार्क-प्रतिक्वार्क युग्मों में एक अतिरिक्त क्वार्क की आवश्यकता है ताकि ब्रह्मांड में देखे गए सभी पदार्थ उपलब्ध हो सकें। सैद्धांतिक रूप से या अन्यथा इस अपर्याप्तता को अभी तक समझाया नहीं गया है।

मानक प्रतिरूप के भीतर बैरियोजेनेसिस के लिए विद्युत् दुर्बल हिग्स क्रियाविधि को प्रथम-क्रम चरण संक्रमण होना आवश्यक है, क्योंकि अन्यथा स्प्लेरॉन किसी भी बैरियन विषमता को मिटा देते हैं जो चरण संक्रमण तक हुआ था। इसके अलावा, बेरोन गैर-संरक्षण अन्योन्यक्रियाओं की शेष मात्रा नगण्य है।

चरण संक्रमण कार्यछेत्र सीमा (श्रृंखला सिद्धांत) पी-समरूपता को अनायास तोड़ देता है, जिससे सीपी-सममिति के दोनों पक्षों पर सी-समरूपता को तोड़ने के लिए पारस्परिक प्रभाव का उल्लंघन करने की अनुमति मिलती है। कार्यछेत्र सीमा के टूटे हुए चरण की तरफ क्वार्क जमा होते हैं, जबकि प्रति-क्वार्क अपने अखंड चरण की तरफ जमा होते हैं। सीपी-समरूपता के कारण विद्युत् दुर्बल पारस्परिक प्रभाव का उल्लंघन होता है, क्वार्क से जुड़े कुछ आयाम प्रति-क्वार्क से जुड़े संबंधित आयामों के बराबर नहीं होते हैं, बल्कि विपरीत चरण होते हैं (सीकेएम आव्यूह और काओन देखें); चूंकि समय उत्क्रमण अपने जटिल संयुग्म के लिए एक आयाम लेता है, इस पूरी प्रक्रिया में सीपीटी-समरूपता संरक्षित है।

हालांकि उनके कुछ आयामों में विपरीत चरण होते हैं, क्वार्क और प्रति-क्वार्क दोनों में सकारात्मक ऊर्जा होती है, और इसलिए वे उसी चरण को प्राप्त करते हैं जैसे वे अंतरिक्ष-समय में चलते हैं। यह चरण उनके द्रव्यमान पर भी निर्भर करता है, जो समान है लेकिन गंध (कण भौतिकी) और हिग्स क्षेत्र निर्वात अपेक्षा मूल्य दोनों पर निर्भर करता है जो कार्यछेत्र सीमा के साथ बदलता है। इस प्रकार क्वार्कों के लिए विपुलता के कुछ योग प्रति-क्वार्क की तुलना में अलग-अलग निरपेक्ष मान रखते हैं। सभी में, क्वार्क और प्रति-क्वार्क में कार्यछेत्र सीमा के माध्यम से अलग प्रतिबिंब और संचरण संभावनाएं हो सकती हैं, और यह पता चला है कि अखंड चरण से आने वाले अधिक क्वार्क प्रति-क्वार्क की तुलना में प्रेषित होते हैं।

इस प्रकार कार्यछेत्र सीमा के माध्यम से एक शुद्ध बैरोनिक प्रवाह होता है। स्पैलेरोन संक्रमणों के कारण, जो अखंड चरण में प्रचुर मात्रा में होते हैं, अखंड चरण की शुद्ध प्रति-बैरोनिक सामग्री मिटा दी जाती है क्योंकि प्रति-बैरियन लेप्टान में परिवर्तित हो जाते हैं। हालांकि, टूटे हुए चरण में स्पैलेरॉन काफी दुर्लभ हैं, क्योंकि वहां बेरोनों की अधिकता को समाप्त नहीं किया जा सकता है। कुल मिलाकर, बेरोन (साथ ही लेप्टान) का शुद्ध निर्माण होता है।

इस परिदृश्य में, बी-उल्लंघन के लिए गैर-बेतरतीब विद्युत् दुर्बल पारस्परिक प्रभाव (यानी स्फेलरॉन) उत्तरदायी हैं, सीपी-उल्लंघन के लिए बेतरतीब विद्युत् दुर्बल लैग्रैंगियन उत्तरदायी है, और ऊष्मीय संतुलन की कमी के लिए कार्यछेत्र सीमा उत्तरदायी है और पी- उल्लंघन; CP-उल्लंघन के साथ यह अपने प्रत्येक पक्ष में C-उल्लंघन भी बनाता है।

ब्रह्मांड में पदार्थ सामग्री

{{यह भी देखें|बेरियन विषमता}

बैरियोजेनेसिस के लिए केंद्रीय प्रश्न यह है कि ब्रह्मांड में प्रतिद्रव्य के साथ-साथ इस विषमता के परिमाण के लिए वरीयता का कारण क्या है। एक महत्वपूर्ण परिमाणवाचक विषमता मापदण्ड है, जिसके द्वारा निम्न दिया गया है

$\eta ={\frac {n_{B}-n_{\bar {B}}}{n_{\gamma }}}$

जहाँ n_B और n_B क्रमशः बेरोन और प्रतिबार्यॉन की संख्या घनत्व का संदर्भ लें और n_γ ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण फोटोन का संख्या घनत्व है।

महा विस्फोट प्रतिरूप के अनुसार, ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण (सीबीआर) से लगभग 3000 केल्विन के तापमान पर पदार्थ अलग हो गया, 3000 K / (10.08×103 K/eV) = 0.3 eV की औसत गतिज ऊर्जा के अनुरूप। वियुग्मन 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 पर फोटॉन घनत्व T प्रति घन सेंटीमीटर, द्वारा दिया जाता है

$n_{\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}}=\frac{1}{{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^2}{\left(\frac{k_{B}T}{\mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}c}\right)}^3{\int <!--\; \int \; -->}_0^{\mathrm{\infty <!--\; \infty \; -->}}\frac{x^2}{e^x-<!--\; -\; -->1}\mathrm{d}<!--\; \; -->x=\frac{2\mathrm{\zeta <!--\; \zeta \; -->}(3)}{{\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}^2}{\left(\frac{k_{B}T}{\mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}c}\right)}^3\approx <!--\; \approx \; -->20.3{(\frac{}{}}^{}$