Почему асимметрия материи-антиматерии удивительна, если асимметрия может быть порождена случайным блужданием, при котором частицы попадают в черные дыры?

Насколько я понимаю, ранняя Вселенная была очень «горячей» (т.е. энергетически плотной) средой. Было даже достаточно жарко, чтобы из фотонов образовались черные дыры .

Мое второе понимание заключается в том, что черные дыры могут терять массу из-за излучения Хокинга, что составляет :

Физическое понимание процесса можно получить, представив себе, что излучение частиц и античастиц испускается сразу за горизонтом событий. Это излучение не исходит непосредственно от самой черной дыры, а скорее является результатом того, что виртуальные частицы «подгоняются» под действием гравитации черной дыры, превращаясь в реальные частицы. гравитационной энергии, вылет одной из частиц снижает массу черной дыры. 3

Альтернативный взгляд на этот процесс состоит в том, что флуктуации вакуума вызывают появление пары частица-античастица вблизи горизонта событий черной дыры. Один из пары падает в черную дыру, а другой убегает. Чтобы сохранить полную энергию, частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию (по отношению к наблюдателю, находящемуся далеко от черной дыры). Это заставляет черную дыру терять массу, и стороннему наблюдателю может показаться, что черная дыра только что испустила частицу. В другой модели процесс представляет собой эффект квантового туннелирования, при котором пары частица-античастица будут формироваться из вакуума, и одна из них будет туннелировать за горизонт событий.

Поэтому я смоделировал сценарий с двумя типами частиц, которые создаются в соотношении 50/50 из-за излучения Хокинга и всегда аннигилируют друг друга, если это возможно.

Редактировать:

В этой симуляции создаются обе частицы, но одна из них засасывается в черную дыру. Другой остается снаружи. Так что заряд должен сохраняться.

Симуляция (написанная на R) находится здесь:

# Run the simulation for 1 million steps and initialize output matrix
n_steps = 1e6
res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

# Initiate number of particles to zero
n0 = n1 = 0
for(i in 1:n_steps){
  # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
  x = sample(0:1, 1)

  # If "x" is a matter particle then...
  if(x == 0){
    # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
    #Otherwise increase the number of matter particles by one
    if(n1 > 0){
      n1 = n1 - 1
    }else{
      n0 = n0 + 1
    }
  }

  # If "x" is an antimatter particle then...
  if(x == 1){
    # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
    # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
    if(n0 > 0){
      n0 = n0 - 1
    }else{
      n1 = n1 + 1
    }
  }

  # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
  res[i, ] = c(n0, n1)
  if(i %% 1000 == 0){
    plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
    lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
  }
}

Вот снимок результатов, где черная линия — количество частиц «типа 0», а красная линия — количество частиц «типа 1»:

Очевидно, что это упрощенная одномерная модель, в которой любая созданная антиматерия немедленно аннигилирует соответствующей частицей материи и т. д. Однако я не понимаю, почему нельзя ожидать, что качественный результат «вида» доминирующей частицы будет справедлив в целом. . Так на чем же основано ожидание равного количества материи и антиматерии? Как это противоречит этой простой симуляции?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Как просили в комментариях, я изменил симуляцию, чтобы разрешить различное начальное количество частиц и вероятность генерации каждой частицы.

# Run the simulation for 1 million steps and initialize output matrix
n_steps = 250e3
res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

# Initial number of each type of particle and probability of generating type 0
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.51
for(i in 1:n_steps){
  # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
  x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

  # If "x" is a matter particle then...
  if(x == 0){
    # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
    # Otherwise increase the number of matter particles by one
    if(n1 > 0){
      n1 = n1 - 1
    }else{
      n0 = n0 + 1
    }
  }

  # If "x" is an antimatter particle then...
  if(x == 1){
    # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
    # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
    if(n0 > 0){
      n0 = n0 - 1
    }else{
      n1 = n1 + 1
    }
  }

  # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
  res[i, ] = c(n0, n1)
  if(i %% 1e4 == 0){
    plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
    lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
  }
}

Некоторые примеры:

n0 = 1000, n1 = 0, p = 0,5

n0 = 0, n1 = 0, p = 0,51

п0 = 1000, п1 = 1000, р = 0,5

РЕДАКТИРОВАТЬ 2:

Спасибо всем за ваши ответы и комментарии. Я узнал, что процесс образования материи из черных дыр называется «бариогенез черных дыр». Однако в работах, которые я проверял на эту тему (например, Нагатани 1998 , Маджумдар и др. 1994 ), похоже, не говорится о том же, что и я.

Я говорю, что через динамику симметричного образования и аннигиляции материи-антиматерии наряду с симметричным бариогенезом через излучение Хокинга вы всегда будете получать дисбаланс с течением времени, который будет иметь тенденцию к росту из-за положительной обратной связи. То есть условия Сахарова , такие как CP-нарушение, фактически не требуются для получения асимметрии.

Если вы принимаете существование парного образования, аннигиляции и излучения Хокинга, то вы должны по умолчанию ожидать, что один доминирующий вид частиц всегда будет доминировать над другим. Это единственное стабильное состояние (кроме вселенной, состоящей только из энергии). Приблизительно равные материя/антиматерия совершенно очевидно очень нестабильны, потому что они аннигилируют друг друга, так что ожидать этого не имеет смысла.

Возможно, что в какой-то более сложной модели (включающей более одного типа пар частиц, расстояние между частицами, силы и т. д.) эта тенденция к асимметрии каким-то образом компенсировалась бы. Но я не могу придумать никакой причины, по которой это могло бы быть, это должно быть делом людей, которые ожидают, что симметрия материи-антиматерии придумает механизм, объясняющий это (на что было бы странно тратить свое время, поскольку это решительно не то, что мы наблюдаем в нашей вселенной).

Что касается некоторых конкретных проблем, у людей были:

1) Опасения по поводу накопления отрицательного заряда в черных дырах и положительного заряда в обычном пространстве.

• В то время как в симуляции есть только одна частица, на практике это будет происходить параллельно для пар электрон-позитрон и протон-антипротон с (на самом деле) равными скоростями. Так что я бы не ожидал какого-либо дисбаланса заряда. Вы можете представить пары частиц в моделировании наполовину электрон-позитрон и наполовину протон-антипротон.

2) В ранней Вселенной было недостаточно черных дыр, чтобы объяснить асимметрию

• Я пытался и не смог получить точную цитату для этого, чтобы я мог выяснить, какие предположения были сделаны, но я сомневаюсь, что они включили положительную обратную связь, показанную симуляцией, в свой анализ. Кроме того, мне было интересно, рассматривают ли они возможность образования кугельблиц-черных дыр во Вселенной, состоящей только из энергии. Наконец, тенденция к доминирующему виду продолжается все время, в любом случае это не должно было происходить в ранней Вселенной.

3) Если этот процесс продолжается во Вселенной, похожей на нашу сегодняшнюю (где частице может потребоваться много времени, чтобы добраться от одной черной дыры до другой), мы должны ожидать, что некоторые черные дыры локально произведут преобладание антивещества. регионы и другие для создания регионов с преобладанием материи. В конце концов некоторые из этих областей должны вступить в контакт друг с другом, что приведет к наблюдаемой массовой аннигиляции частиц.

• Я согласен, что это было бы ожиданием по умолчанию, но если вы начнете с состояния с сильным преобладанием материи, будет очень маловероятно, что будет сгенерировано достаточное количество антиматерии, чтобы локально аннигилировать всю материю, и даже тогда есть только 50% вероятность следующей фазы. является антивеществом. Присвоение цифр подобным вещам потребует более сложной модели, которую я не хочу здесь пытаться использовать.

4) Физики не считают асимметрию чем-то удивительным.

• Ну, в википедии так написано :

  Ни стандартная модель физики элементарных частиц, ни общая теория относительности не дают известного объяснения того, почему это должно быть так, и естественно предположить, что Вселенная нейтральна со всеми сохраняющимися зарядами. [...] Как отмечается в исследовательской статье 2012 года, «Происхождение материи остается одной из величайших загадок в физике».

5) Этот процесс представляет собой какую-то экзотическую «альтернативную» теорию стандартной.

• Этот процесс был выведен, приняв стандартную физику/космологию за правильность. Это прямое следствие взаимодействия между образованием/аннигиляцией пар и излучением Хокинга. Это может показаться нелогичным для людей, привыкших думать о том, что мы в среднем ожидаем от модели, когда на самом деле мы хотим думать о том, как ведут себя отдельные экземпляры. Если симуляцию запустить несколько раз и сложить все «частицы», результат будет примерно 50/50 материи/антиматерии. Однако мы наблюдаем одну конкретную вселенную, а не среднее значение всех возможных вселенных. В каждом конкретном случае всегда есть доминирующая разновидность частицы, которую мы в конечном итоге называем «материей».

Итак, прочитав ответы/комментарии, я думаю, что ответ на мой вопрос, вероятно, заключается в том, что физики думали о том, чего они ожидают в среднем, когда им следовало думать о том, что произойдет в конкретных случаях. Но я недостаточно знаком с литературой, чтобы сказать.

Редактировать 3:

После разговора с Крисом в чате я решил поставить скорость аннигиляции в зависимость от количества частиц во Вселенной. Я сделал это, установив вероятность аннигиляции на exp(-100/n_part), где n_part — количество частиц. Это было довольно произвольно, я выбрал его, чтобы иметь приличный охват всего типичного диапазона для 250 тыс. шагов. Это выглядит так:

Вот код (я также добавил немного распараллеливания, извините за повышенную сложность):

require(doParallel)

# Number of simulations to run and threads to use in parallel
n_sim   = 100
n_cores = 30

# Initial number of each type of particle and probability
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.5

registerDoParallel(cores = n_cores)
out = foreach(sim = 1:n_sim) %dopar% {
  # Run the simulation for 250k steps and initialize output matrix
  n_steps = 250e3
  res     = matrix(ncol = 2, nrow = n_steps)

  for(i in 1:n_steps){
    # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
    x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

    n_part = sum(res[i -1, ]) + 1
    p_ann  = exp(-100/n_part)
    flag   = sample(0:1, 1, prob = c(1 - p_ann, p_ann))


    # If "x" is a matter particle then...
    if(x == 0){
      # If an antimatter particle exists, then annihilate it with the new matter particle. 
      # Otherwise increase the number of matter particles by one
      if(n1 > 0 & flag){
        n1 = n1 - 1
      }else{
        n0 = n0 + 1
      }
    }

    # If "x" is an antimatter particle then...
    if(x == 1){
      # If a matter particle exists, then annihilate it with the new antimatter particle. 
      # Otherwise increase the number of antimatter particles by one
      if(n0 > 0 & flag){
        n0 = n0 - 1
      }else{
        n1 = n1 + 1
      }
    }

    # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
    res[i, ] = c(n0, n1)
    if(i %% 1e4 == 0 && sim %in% seq(1, n_sim, by = n_cores)){
      # plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
      # lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
      print(paste0(sim, ": ", i))
    }
  }
  return(res)
}

Вот пример 25 результатов:

И гистограмма процента частиц, которые были в второстепенном классе к концу каждой симуляции:

Таким образом, результаты по-прежнему согласуются с более простой моделью в том смысле, что такие системы имеют тенденцию иметь доминирующий вид частиц.

Редактировать 4:

После дальнейшего полезного разговора с Крисом он предположил, что решающим дополнительным фактором является аннигиляция более чем одной пары частиц за шаг. В частности, количество удаленных частиц должно быть выборкой из распределения Пуассона со средним значением, пропорциональным общему количеству частиц, т.е. существует большое количество частиц материи и антиматерии.

Вот код (который сильно отличается от предыдущего):

require(doParallel)

# Number of simulations to run and threads to use in parallel
n_sim   = 100
n_cores = 30

# Initial number of each type of particle and probability
n0 = 0
n1 = 0
p0 = 0.5
m  = 10^-4

# Run the simulation for 250k steps and 
n_steps = 250e3

registerDoParallel(cores = n_cores)
out = foreach(sim = 1:n_sim) %dopar% {
  # Initialize output matrix
  res = matrix(ncol = 3, nrow = n_steps)

  for(i in 1:n_steps){
    # Generate a new particle with 50/50 chance of matter/antimatter
    x = sample(0:1, 1, prob = c(p0, 1 - p0))

    # If "x" is a matter particle then...
    if(x == 0){
      n0 = n0 + 1
    }

    # If "x" is an antimatter particle then...
    if(x == 1){
      n1 = n1 + 1
    }

    # Delete number of particles proportional to the product of n0*n1
    n_del = rpois(1, m*n0*n1)
    n0 = max(0, n0 - n_del)
    n1 = max(0, n1 - n_del)

    # Save the results and plot them if "i" is a multiple of 1000
    res[i, 1:2] = c(n0, n1)
    res[i, 3]   = min(res[i, 1:2])/sum(res[i, 1:2])
    if(i %% 1e4 == 0 && sim %in% seq(1, n_sim, by = n_cores)){
      # plot(res[1:i, 1], ylim = range(res[1:i, ]), type = "l", lwd = 3, panel.first = grid())
      # lines(res[1:i, 2], col = "Red", lwd = 3)
      print(paste0(sim, ": ", i))
    }
  }
  return(res)
}

А вот результаты для различных значений «m» (от которого зависит, как часто происходит аннигиляция). На этом графике показана средняя доля второстепенных частиц для каждого шага (с использованием 100 симуляций на значение m) в виде синей линии, зеленая линия — это медиана, а полосы +/- 1 стандартное отклонение от среднего:

Первый график имеет то же поведение, что и мои симуляции, и вы можете видеть, что по мере того, как m становится меньше (скорость аннигиляции как функция числа частиц становится реже), система стремится оставаться в более симметричном состоянии (50/50 материи/антиматерии). ), по крайней мере, для большего количества шагов.

Таким образом, ключевое предположение, сделанное физиками, по-видимому, состоит в том, что скорость аннигиляции в ранней Вселенной была очень низкой, так что могло накопиться достаточное количество частиц, пока они не станут достаточно распространенными, чтобы ни одна из них никогда не была полностью «уничтожена».

РЕДАКТИРОВАТЬ 5:

Я провел одну из этих пуассоновских симуляций для 8 миллионов шагов с m = 10 ^ -6, и вы можете видеть, что доминирование просто занимает больше времени (это выглядит немного иначе, потому что 1 сигма-заполнение не будет отображаться с таким количеством точки данных):

Из этого я делаю вывод, что очень низкие показатели аннигиляции просто задерживают время, а не приводят к принципиально другому результату.

Редактировать 6:

То же самое происходит с m = 10^-7 и 28 миллионами шагов. Совокупная диаграмма выглядит так же, как и выше m = 10^-6 с 8 миллионами шагов. Итак, вот несколько частных примеров. Вы можете увидеть четкую тенденцию к доминирующему виду, как и в исходной модели:

Редактировать 7:

Подводя итог... Я думаю, что ответ на вопрос («почему физики так думают?») ясен из моего разговора с Крисом здесь . Крис, похоже, не заинтересован в том, чтобы превратить это в ответ, но я приму его, если кто-то напишет подобное.