באריוגנזה – הבדלי גרסאות

'''באריוג'נסיסבאריוגנזה''' (ב[[אנגלית]]: '''Baryogenesis''') או '''היווצרות הבאריונים''' הינההנה [[תאוריה]] ב[[אסטרופיזיקה]] וב[[פיזיקת חלקיקים|פיזיקת החלקיקים]] אשר מסבירה את תהליך ההיווצרות של ה[[פרוטון|פרוטונים]], ה[[נייטרון|נייטרונים]] ו[[באריון|באריונים]] נוספים ברגעים הראשונים שלאחר [[המפץ הגדול]]. מקור השם הוא [[הלחם בסיסים]] של המונח [[באריון]] (משפחה של חלקיקים המרכיבים את רוב החומר הנראה ביקום), וג'נסיסוגנזה - המילההתרגום לסיומת הלועזית האנגליתgenesis ל[[בראשית]] או "יצירה" באופן כללי. היווצרות הבאריונים התחילה מיד לאחר המפץ הגדול והסתיימה לאחר כשנייה אחת. השאלהאופן כיצד התרחש תהליך זה של היוצרותהיווצרות ה[[באריון|באריונים]] היא אחת השאלות הפתוחות החשובות ביותר ב[[פיזיקת חלקיקים|פיזיקה של החלקיקים]].

[[מכניקת הקוונטים|תורת הקוונטים]] אשר מתארת את ההתנהגות של החלקיקים הקטנים ביותר הידועים לנו מנבאת כי לכל סוג [[חלקיק]] בטבע קיים [[אנטי-חלקיק]]. כאשר [[חלקיק]] ו[[אנטיואנטי-חלקיק]] נפגשים, הם עוברים תהליך של [[איון (פיזיקה)|איון]], שבסופו הם מושמדים והופכים לאנרגיה. עבור תהליך זה קיים תהליך הפוך בו אנרגיה יכולה להפוך לזוג של [[חלקיק]] ו[[אנטיואנטי-חלקיק]]. בניסויים מבוקרים כגון אלו הנערכים ב[[מאיץ חלקיקים|מאיצי חלקיקים]] נמצאו [[אנטי-חלקיק]]יםחלקיקים עבור כל החלקיקים המוכרים למדע, לדוגמה עבור ה[[אלקטרון]] נמצא אנטי-חלקיק הנקרא [[פוזיטרון]]. מתוך עובדה זו, ניתן לצפות שכאשר חלק מהאנרגיה שהשתחררה בעת [[המפץ הגדול]] הפכה לחומר, מספר החלקיקים שנוצרו היה שווה למספר האנטי-חלקיקים שנוצרו. בניגוד לציפייה זו, תצפיות מראות שהיקום שלנו מורכב כולו מחומר וכמעט ואינו מכיל אנטי-חומר. במילים אחרות היינו מצפים כי ביקום שלנו תהיה [[סימטריה#סימטריה בפיזיקה|סימטריה]] בין מספר החלקיקים למספר האנטי-חלקיקים, אך תצפיות מראות ש[[סימטריה#סימטריה בפיזיקה|סימטריה]]שסימטריה זו אינה קיימת. אסימטריה זאת נקראת 'אסימטריה באריונית' וראשיתה ברגעים הראשונים של היקום המוקדם. על מנת להבין את הפער בין כמות החומר וכמות האנטי-חומר, תאוריית [[המפץ הגדול]], אשר מתארת את רגעיו הראשונים של היקום, צריכה להכיל בתוכה הסבר להיווצרותה של אסימטריה זו.

# האפשרות הראשונה היא שכחלק מתנאי ההתחלה של היקום הייתה כמות גדולה יותר של חומר מאנטי-חומר. אינטרקציה בין חומר לאנטי חומר גרמה ל[[איון (פיזיקה)|איון]]לאיון של אנטי-חומר וכך נשאר ביקום רק חומר רגיל וכמעט ולא נשאר אנטי-חומר.

# האפשרות השלישית הינה שהיקום התחיל במצב סימטרי, בו כמות החומר שווה לכמות האנטי-חומר, אך שורה של תהליכים פיזיקליים גרמה לכך שתיווצר אסימטריה ושהיקום יתפתח ליקום המכיל כמות גדולה יותר של חומר מאנטי-חומר. אפשרות זאת, המתארת יקום שהתחיל סימטרי והתפתח ליקום אסימטרי, נקראת '''באריוג'נסיסבאריוגנזה'''.

על סמך ניסויים, מדידות וחישובים שנעשו בסוף המאה ה-20 ובתחילת המאה ה-21, האפשרות השלישית ('''באריוג'נסיס'''באריוגנזה) נחשבת לסבירה ביותר בקרב הקהילה המדעית. על מנת לאפשר תהליך של '''באריוג'נסיס'''באריוגנזה ביקום, ישנם שלושה תנאים הכרחיים החייבים להתקיים הידועים כשלושת תנאי סחרוב.

== שלושת תנאי סחרוב לבאריוג'נסיסלבאריוגנזה ==

בשנת 1967 פרסם הפיזיקאי [[אנדרי סחרוב]] מאמר בו תיאר שלושה תנאים הכרחיים על מנת שתהליך של באריוג'נסיסבאריוגנזה יוכל להתקיים ביקום:

# <ins> [[באריון|אי שימור מספר באריוני]] </ins> - הפיזיקה המודרנית כוללת מספר רב של [[חוק שימור|חוקי שימור]] כדוגמת [[חוק שימור האנרגיה]], [[חוק שימור התנע]] וחוקי שימור נוספים'. בדומה לחוקי שימור אחרים ייתכן כי קיים חוק שימור של מספר ה[[באריון|באריונים]]הבאריונים ביקום. במידה והיה קיים [[חוק שימור]] שכזה, אם בזמן [[המפץ הגדול]] היקום היה נוצר ללא [[באריון|באריונים]] הוא היה נשאר ללא [[באריון|באריונים]] לנצח. לכן תנאי סחרוב הראשון קובע שחוק שימור שכזה אינו יכול להתקיים.

# <ins> [[שיווי משקל תרמודינמי|אי שיווי משקל תרמודינמי]] </ins> - [[שיווי משקל תרמודינמי]] הינו מונח המתאר מערכת פיזיקלית מבודדת מהסביבה שאינה משנה את תכונותיה. עבור כל תהליך המתרחש במערכת הנמצאת ב[[שיווי משקל תרמודינמי]] מתרחש תהליך זהה בקצבו אך הפוך בכיוונו. לדוגמה תהליך בו שני חלקיקים שאינם [[באריון|באריונים]] המתנגשים אחד בשני והופכים ל[[באריון]]. במערכת הנמצאת ב[[שיווי משקל תרמודינמי]], מספר הפעמים שתהליך זה מתרחש בפרק זמן מסוים זהה למספר הפעמים בהם [[באריון]] מתפרק לשני חלקיקים באותו פרק זמן. על מנת לאפשר תהליך בו [[באריון|באריונים]] נוצרים בקצב מהיר יותר מהקצב בו [[באריון|באריונים]] מתפרקים לחלקיקים אחרים, תנאי סחרוב השלישי קובע כי המערכת תהיה מחוץ ל[[שיווילשיווי משקל תרמודינמי]] בזמן התרחשות תהליך ה'''באריוג'נסיס'''הבאריוגנזה.

# <ins> [[קרינת הרקע הקוסמית]]</ins> הינה קרינה הנפלטת מכל כיוון ואל כל כיוון ב[[יקום]]. קרינה זו התחילה להתפשט בערך כ-380,000 שנה לאחר [[המפץ הגדול]], כאשר טמפרטורת היקום ירדה מתחת ל-4000 מעלות [[קלווין]]. בשלב זה של התפתחות ה[[יקום]] אטומי מימן התחברו לאלקטרונים ויצרו לראשונה בתולדות היקום מימן נייטרלי. מכיוון שאור אינו יכול לעבור דרך חלקיקים טעונים, לפני שלב זה היקום היה אטוּם לאור וניתן היה לתאר אותו כבליל של חומר וקרינה, בעוד שלאחר שלב זה היקום נהפך לשקוף ו[[קרינת הרקע הקוסמית]] התחילה להתפשט לכל עבר. [[קרינת הרקע הקוסמית]] היא כמעט אחידה לחלוטין, כלומר אל כל כיוון אליו נסתכל בשמיים [[אורך גל|אורך הגל]] של הקרינה זהה. החל משנות התשעים נשלחו לחלל מספר לווינים רגישים במיוחד, אשר לראשונה הצליחו למדוד את אי האחידות המזערית של קרינה זו. אי האחידות של הקרינה נובעת מגלי קול שהתפשטו ביקום במהלך היותו בליל של קרינה וחומר. כיום בעזרת מדידת אי האחידות של הקרינה ניתן לחשב את [[אורך גל|אורך הגל]] של אותם גלי קול. ישנו קשר בין תכונות גלי הקול שהתפשטו ביקום המוקדם לבין האסימטריה הבאריונית ממנו ניתן לחשב את פרמטר האסימטריה.

== באריוג'נסיסבאריוגנזה ב[[המודלבמודל הסטנדרטי|מודל הסטנדרטי]] ==

[[המודל הסטנדרטי]] של פיזיקת החלקיקים, הינו מודל המתאר את כל החלקיקים היסודיים המוכרים למדע כיום ואת הכוחות הפועלים ביניהם. על אף ש[[המודלשהמודל הסטנדרטי]] מקיים את שלושת תנאי סחרוב, המודל אינו מצליח לנבא אסימטריה כל כך גדולה כמו זו הנמדדת בטבע. אי התאמה זו, בין הניבוי של המודל הסטנדרטי לבין הערך הנמדד של <math>\eta_B</math>, נוצרת מכיוון שהמודל הסטנדרטי מקיים את תנאי סחרוב באופן חלקי בלבד:

# <ins> [[באריון|אי שימור מספר באריוני]] </ins> - אי שימור מספר באריוני מופר במודל הסטנדרטי בצורה לא טריוויאלית. על אף שנראה כי המספר הבאריוני <math>B</math> הוא גודל שמור של ה[[לגרנז'יאן]], סימטריה זו נשברת על ידי [[אנומליה קוונטית]]. באופן דומה נשבר גם שימור מספר לפטוני <math>L</math>, אך הגודל <math>B-L</math> חייב להישמר מתוך שימור המטען החשמלי. המשמעות של אנומליה זו הינה שלתורת השדה הקוונטית יש [[ריק|ואקומים]] שונים אשר נבדלים אחד מהשני במספר הבאריונים והלפטונים שלהם, אך לכל אותם ואקומים יש מטען חשמלי זהה. המעבר מואקום אחד לשני נעשה על ידי קונפיגורציה לא הפרעתית הנקראת [[ספלארון]] ומתרחש בטמפרטורות הגבוהות מ <math>10^{13}</math> [[קלווין]].

#<ins>[[שיווי משקל תרמודינמי|אי שיווי משקל תרמודינמי]]</ins> - בעבר הייתה ההשערה שיציאה משיווי משקל תרמי נעשית בעזרת [[מעבר פאזה]] מסדר שני של [[בוזון היגס|שדה ההיגס]]. מעבר פאזה מסדר שני אינו אפשרי עבור חלקיק היגס הכבד מ-<math>70GeV</math>. בשנת 2012 הוכרז על גילוי חלקיק היגס שמסתו <math>125GeV</math>. עבור מסה כה גדולה מעבר הפאזה הינו מעבר פאזה מסדר ראשון ולכן אי השיווי התרמודינאמי אינו גדול מספיק כדי לאפשר '''באריוג'נסיס'''באריוגנזה.

שתי תאוריות מרכזיות המצליחות להסביר באריוג'נסיסבאריוגנזה הינןהנן [[סימטריית על]] ו[[תאוריה מאוחדת גדולה|התאוריה המאוחדת הגדולה]] (GUT). על פי ה[[תאוריה מאוחדת גדולה|תאוריה המאוחדת הגדולה]], לפטונים ובאריונים נמצאים באותה הצגה ולכן באנרגיות גבוהות מספר באריוני אינו מספר שמור.

* [[סימטריית CPT|סימטריית C,P,T]]

* [http://phys.columbia.edu/~dvp/dvp-sakharov.pdf מבוא לבאריוג'נסיסלבאריוגנזה], דניס פרפליסטה, באתר אוניברסיטת קולומביה ([[אנגלית]])

* [http://arxiv.org/abs/hep-ph/0608347 באריוג'נסיסבאריוגנזה דרך לפטוג'נסיסלפטוגנזה], אלסנדרו סטרומיה, [http://arxiv.org/abs/hep-ph/0608347 arXiv:hep-ph/0608347]