Baryogenese nur auf der Planck-Skala oder gar keine?

Gute Frage!

Zu (2) ist die Baryonenzahl sicherlich bei Planckschen Energien verletzt. Wenn Sie ein Schwarzes Loch machen können, können Sie Baryonen fressen. Das Argument von Luboš Motl, auf das Sie verwiesen haben, ist in dieser Hinsicht richtig. Ob Sie zur Planck-Zeit ein glaubwürdiges Szenario einer durch die Quantengravitation angetriebenen Baryogenese erstellen können, steht meines Wissens in den Sternen. Es ist wieder das alte Problem, welche Vorhersagen die Quantengravitation für die Kosmologie macht. Aber selbst wenn Sie eine Netto-Baryonenzahl gefunden haben, haben Sie immer noch das Problem der Auswaschung (siehe unten) ...

Bezüglich (3) gibt es zwei Probleme. Erstens: Trotz allem, was Sie vielleicht gehört haben, bleibt die Baryonenzahl im Standardmodell nicht erhalten. Es gibt nicht störende "Sphaleron"-Prozesse, die sich oberhalb des elektroschwachen symmetriebrechenden Phasenübergangs im thermischen Gleichgewicht befinden. Diese entstehen, weil die Baryonen- und Leptonenströme anomal sind:$\partial_\mu j_B^\mu = \partial_\mu j_L^\mu \neq 0$. Sphalerons fressen drei Einheiten der Baryonenzahl und produzieren drei Einheiten der Leptonenzahl (und andere Prozesse, die durch Kreuzen zusammenhängen). Unten der Phasenübergang$T \lesssim 100\ \mathrm{GeV}$Diese Prozesse werden thermisch so weit unterdrückt, dass Sie sie nie sehen.

Nur der Unterschied $B-L$ist im Standardmodell exakt erhalten, und tatsächlich gibt es dort Standardmodellerweiterungen$B-L$ist mit a gekoppelt$U(1)_{B-L}$Symmetrie messen. So kommt es vor, dass jede Baryonen-Asymmetrie ausreichend früh (dazu gehören Anfangsbedingungen) im orthogonalen Kanal entsteht$B+L$wird von Sphalerons exponentiell ausgewaschen . Nur der$B-L$Die Ladung bleibt erhalten und die Sphaleron-Prozesse teilen die Asymmetrie zwischen Leptonen und Baryonen auf. Falls es noch weitere gibt$L$Durch Verletzung von Prozessen jenseits des Standardmodells (z. B. Majorana-Neutrinomassen) können Sie die gesamte Baryonenzahl vor dem Übergang der elektroschwachen Phase leicht auslöschen. Alternativ können Sie sich darauf verlassen$L$Verletzung, die genug von an produziert$L$Überschuss, in den Sphalerons den Überschuss umwandeln$B$und gibt Ihnen die Baryonennummer, die Sie brauchen. Dies beschreibt ein Leptogenese- Szenario.

Zweites Problem: Inflation! Inflation findet (wenn überhaupt) unterhalb der Planck-Skala statt, sodass alle Gebühren exponentiell verwässert werden. Um also die richtige Baryonenzahl aus einer Anfangsbedingung einer Planck-Skala zu erhalten, benötigen Sie eine große anfängliche Asymmetrie, damit Sie nach dem Aufblasen und Auswaschen einen winzigen Beitrag von genau der richtigen Größe erhalten, um Ihnen die gemessene Baryonenasymmetrie zu geben. Dies ist eine sehr heikle Situation. Es ist viel einfacher zu glauben, dass jede anfängliche Asymmetrie, die vorhanden sein mag, klein genug ist, um durch sechzigfache Inflation ausgelöscht zu werden, und dass es einen dynamischen Mechanismus gibt, der mit relativ kleinen Verletzungen von zusammenhängt$B$,$C$und$CP$irgendwo zwischen der GUT-Skala und der elektroschwachen Skala, die für die Erzeugung der kleinen beobachteten Asymmetrie verantwortlich ist$(n_B - n_\bar{B})/n_\gamma \sim 10^{-10}$.

Sie haben jedoch Recht: Technisch gesehen sind es theoretische Vorurteile (und die Unfähigkeit, konkrete Berechnungen durchzuführen), die die Optionen 2 und 3 ausschließen, nicht direkte logische oder experimentelle Beweise.

Verweise

Der Originalartikel über Sphalerons:

• Klinkhamer, F. & Manton, N. (1984). Eine Sattelpunktlösung in der Weinberg-Salam-Theorie. Physical Review D, 30(10), 2212–2220. doi:10.1103/PhysRevD.30.2212

Frühe Berechnung der Sphaleron-Rate (moderne Berechnungen verwenden Monte Carlo):

• Arnold, P. & McLerran, L. (1987). Sphalerons, kleine Fluktuationen und Baryonenzahlverletzung in der elektroschwachen Theorie. Physical Review D, 36(2), 581–595. doi:10.1103/PhysRevD.36.581

Schöne pädagogische Behandlungen von Sphalerons und elektroschwacher Symmetriebrechung:

• Shaposhnikov, ME (1991). Nichterhaltung der anomalen Fermionenzahl. Abgerufen von http://ccdb5fs.kek.jp/cgi-bin/img_index?9202054

Schöne Übersichten über Baryogenese und Leptogenese (nach Jahr):

• Fong, CS, Nardi, E., & Riotto, A. (2012). Leptogenese im Universum. Fortschritte in der Hochenergiephysik, 2012, 1–59. doi:10.1155/2012/158303

• Shaposhnikov, M. (2009). Baryogenese. Journal of Physics: Conference Series, 171. doi:10.1088/1742-6596/171/1/012005

• Davidson, S., Nardi, E., & Nir, Y. (2008). Leptogenese. Physics Reports, 466(4-5), 105–177. doi:10.1016/j.physrep.2008.06.002

• Cline, JM (2006). Baryogenese. Abgerufen von http://arxiv.org/abs/hep-ph/0609145

• Buchmüller, W., Di Bari, P., & Plümacher, M. (2005). Leptogenese für Fußgänger. Annalen der Physik, 315 (2), 305–351. doi:10.1016/j.aop.2004.02.003

• Getreten, M. (2004). Baryogenese und Leptogenese. Abgerufen von http://arxiv.org/abs/hep-ph/0411301