Бариогенез только по планковской шкале или вообще никакого?

Хороший вопрос!

Что касается (2), барионное число, безусловно, нарушается при планковских энергиях. Если вы можете создать черную дыру, вы можете поглотить барионы. Аргумент Любоша Мотла, на который вы ссылаетесь, в этом отношении верен. Насколько я знаю, вопрос о том, сможете ли вы сделать правдоподобный сценарий бариогенеза, управляемого квантовой гравитацией, в планковское время, пока в воздухе. Это старая проблема, какие предсказания квантовая гравитация делает для космологии снова. Но даже если вы получили чистое барионное число, у вас все еще есть проблема вымывания (см. ниже)...

Относительно (3) есть две проблемы. Во- первых: несмотря на то, что вы, возможно, слышали, барионное число не сохраняется в стандартной модели. Существуют непертурбативные «сфалеронные» процессы, находящиеся в тепловом равновесии выше фазового перехода с нарушением электрослабой симметрии. Они возникают из-за аномальности барионного и лептонного токов:$\partial_\mu j_B^\mu = \partial_\mu j_L^\mu \neq 0$. Сфалероны потребляют три единицы барионного числа и производят три единицы лептонного числа (и другие процессы, связанные скрещиванием). Ниже фазового перехода$T \lesssim 100\ \mathrm{GeV}$эти процессы термически подавляются до такой степени, что вы их никогда не видите.

Только разница $B-L$точно сохраняется в стандартной модели, и действительно, существуют расширения стандартной модели, где$B-L$соединен с$U(1)_{B-L}$калибровочная симметрия. Так что бывает, что любая барионная асимметрия возникает достаточно рано (включая начальные условия) в ортогональном канале.$B+L$экспоненциально вымывается сфалеронами . Только$B-L$заряд сохраняется, и сфалеронные процессы делят асимметрию между лептонами и барионами. Если есть еще$L$Нарушая процессы, выходящие за рамки стандартной модели (такие как массы майорановских нейтрино), вы можете легко стереть все барионное число перед электрослабым фазовым переходом. В качестве альтернативы вы можете рассчитывать на$L$нарушение, производящее достаточно$L$избыток, который сфалероны преобразуют избыток в$B$и дает вам барионное число, которое вам нужно. Это описывает сценарий лептогенеза .

Вторая проблема: инфляция! Инфляция происходит (если вообще происходит) ниже планковской шкалы, поэтому она экспоненциально разбавляет любые заряды. Таким образом, чтобы получить правильное барионное число из начальных условий шкалы Планка, вам нужна огромная начальная асимметрия, чтобы после инфляции и вымывания вы получили крошечный вклад как раз нужного размера, чтобы получить измеренную барионную асимметрию. Это очень деликатная ситуация. Гораздо легче поверить, что любая начальная асимметрия, которая может присутствовать, достаточно мала, чтобы быть стертой шестидесятикратным увеличением инфляции, и что существует некий динамический механизм, связанный с достаточно небольшими нарушениями симметрии.$B$,$C$а также$CP$где-то между шкалой GUT и электрослабой шкалой, которая отвечает за создание небольшой наблюдаемой асимметрии.$(n_B - n_\bar{B})/n_\gamma \sim 10^{-10}$.

Однако вы правы: технически именно теоретические предубеждения (и неспособность делать конкретные расчеты) исключают варианты 2 и 3, а не какие-либо прямые логические или экспериментальные доказательства.

использованная литература

Оригинальная статья о сфалеронах :

• Клинкхамер, Ф., и Мэнтон, Н. (1984). Седловое решение в теории Вайнберга-Салама. Physical Review D, 30 (10), 2212–2220. doi: 10.1103/PhysRevD.30.2212

Ранний расчет скорости сфалерона (в современных расчетах используется метод Монте-Карло):

• Арнольд, П., и Маклерран, Л. (1987). Сфалероны, малые флуктуации и нарушение барионного числа в электрослабой теории. Physical Review D, 36 (2), 581–595. doi: 10.1103/PhysRevD.36.581

Хорошие педагогические трактовки сфалеронов и нарушения электрослабой симметрии:

• Шапошников, М.Е. (1991). Аномальное несохранение числа Фермионов. Получено с http://ccdb5fs.kek.jp/cgi-bin/img_index?9202054 .

Хорошие обзоры или бариогенез и лептогенез (по годам):

• Фонг, К.С., Нарди, Э., и Риотто, А. (2012). Лептогенез во Вселенной. Успехи в физике высоких энергий, 2012, 1–59. дои: 10.1155/2012/158303

• Шапошников, М. (2009). Бариогенез. Journal of Physics: Серия конференций, 171. doi: 10.1088/1742-6596/171/1/012005

• Дэвидсон, С., Нарди, Э., и Нир, Ю. (2008). лептогенез. Отчеты по физике, 466 (4–5), 105–177. doi:10.1016/j.physrep.2008.06.002

• Клайн, Дж. М. (2006). Бариогенез. Получено с http://arxiv.org/abs/hep-ph/0609145 .

• Бухмюллер, В., Ди Бари, П., и Плюмахер, М. (2005). Лептогенез для пешеходов. Анналы физики, 315 (2), 305–351. doi: 10.1016/j.aop.2004.02.003

• Тродден, М. (2004). Бариогенез и лептогенез. Получено с http://arxiv.org/abs/hep-ph/0411301 .