באריוגנזה – הבדלי גרסאות

'''באריוגנזה''' (ב[[אנגלית]]: '''Baryogenesis''') או '''היווצרות הבאריונים''' הנההיא [[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), וגנזה - התרגום לסיומת הלועזית genesis ל[[בראשית]] או "יצירה" באופן כללי. היווצרות הבאריונים התחילה מיד לאחר המפץ הגדול והסתיימה לאחר כשנייה אחת. אופן היווצרות ה[[באריון|באריונים]] היא אחת השאלות הפתוחות החשובות ביותר ב[[פיזיקת חלקיקים]].

# האפשרות השלישית הינההיא 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 '''באריוגנזה'''.

#<ins>[[סימטריית CPT#שבירת סימטריית CP|שבירת סימטריית C ו-CP]] </ins> - תהליך שאינו משמר מספר באריוני אינו מספיק כדי לייצר אסימטריה באריונית. אם לכל תהליך ההופך חלקיקים שאינם באריונים לבאריון, קיים תהליך הופכי, בו אנטי-חלקיקים הופכים לאנטי-באריון, אזי מספר הבאריונים הממוצע יישמר. ישנם שני אופנים בהם לתהליך ייצור באריונים קיים תהליך הופכי לייצור אנטי-באריונים. תהליכים אלו לייצור אנטי-באריונים נקראים בשפה המקצועית תהליכים סימטריים לסימטריות C ו-CP, כאשר סימטריית C פירושה להפוך את כל המטענים החיובים לשליליים וההפך, וסימטריית CP הינההא שילוב של סימטריית C יחד עם שיקוף מערכת הצירים במראה. על מנת שתהליכים אלו לא יוכלו להתרחש חוקי הפיזיקה צריכים להיות לא סימטרים לסימטריות C ו-CP, ולכן תנאי סחרוב השני קובע כי הסימטריות C ו-CP אינן סימטריות של הטבע.

# <ins> אי שיווי משקל תרמודינמי </ins> - [[שיווי משקל תרמודינמי]] הינוהוא 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 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 באריונים נוצרים בקצב מהיר יותר מהקצב בו באריונים מתפרקים לחלקיקים אחרים, תנאי סחרוב השלישי קובע כי המערכת תהיה מחוץ לשיווי משקל תרמודינמי בזמן התרחשות תהליך הבאריוגנזה.

# <ins>[[סינתזה גרעינית קדמונית]] </ins> הינההיא השלב הבא בהתפתחות היקום לאחר היווצרות הבאריונים. שלב זה של ההסיטוריה של היקום מתחיל כשנייה אחת לאחר המפץ הגדול, כאשר טמפרטורת היקום יורדת אל מתחת למיליארד מעלות [[קלווין]], ומסתיים כ[[סטיבן ויינברג|שלוש דקות]] לאחר מכן. בשלב זה מתרחשות ראקציות גרעיניות: [[נייטרון|נייטרונים]] ו[[פרוטון|פרוטונים]] עוברים תהליך של [[היתוך גרעיני]] ויוצרים את היסודות הקלים המרכיבים את היקום המוקדם. היסודות שנוצרים בשלב זה הינםהם [[דאוטריום]] ([[איזוטופ]] של [[מימן]]), [[הליום]]-4 ו[[הליום]]-3, ו[[ליתיום]]. בנוסף ליסודות שנוצרו, היסוד העיקרי שמרכיב את היקום הינוהוא [[מימן]], שהוא בעצם [[פרוטון]] בודד שלא עבר ראקציה גרעינית. חישובים מראים כי היחס בין מספר [[אטום|אטומי]] היסודות החדשים לבין מספר [[אטום|אטומי]] ה[[מימן]] תלוי בעיקר בפרמטר האסימטריה <math>\eta_B</math>. מתוך תצפיות [[אסטרופיזיקה|אסטרופיזיקליות]] ניתן למדוד את היחס בין ה[[יסוד]]ות השונים, ומכאן לחשב את פרמטר האסימטריה <math>\eta_B</math>.

# <ins> [[קרינת הרקע הקוסמית]]</ins> הינההיא 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 הגל של אותם גלי קול. ישנו קשר בין תכונות גלי הקול שהתפשטו ביקום המוקדם לבין האסימטריה הבאריונית ממנו ניתן לחשב את פרמטר האסימטריה.

[[המודל הסטנדרטי]] של פיזיקת החלקיקים, הינוהוא מודל המתאר את כל החלקיקים היסודיים המוכרים למדע כיום ואת הכוחות הפועלים ביניהם. על אף שהמודל 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> 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 הינההיא 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 הינוהוא מעבר פאזה מסדר ראשון ולכן אי השיווי התרמודינאמי אינו גדול מספיק כדי לאפשר באריוגנזה.

#<ins> [[סימטריית CPT#שבירת סימטריית CP|שבירת סימטריות C ו-CP]]</ins> - במודל הסטנדרטי סימטריית C וסימטריית CP הינןהן סמטריות שבורות. סימטרית C שבורה באופן מפורש על ידי [[בוזון כיול|בוזוני כיול]]. לעומתה סימטרית CP שבורה על ידי [[פאזת קוביאשי-מאסקווה]], אך היא שבורה באופן חלש מידי על מנת לאפשר יצירת חומר בכמות הנצפית ביקום.

העובדה ש[[המודל הסטנדרטי]] אינו מצליח להסביר את היווצרות ה[[באריון|באריונים]] ביקום הינההיא אחת האינדיקציות לכך שישנו מודל מורכב יותר, המכיל חלקיקים ואינטראקציות חדשות שאינן מוכרות לנו כיום.

שתי תאוריות מרכזיות המצליחות להסביר באריוגנזה הנןהן [[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.