Рождение астрофизики частиц

Как мы узнали из главы 10, к 90-м годам XX века ядерная астрофизика с помощью модели первичного нуклеосинтеза успешно описывала процесс образования легких ядер в период, когда возраст Вселенной составлял 1 с. Рассчитанная распространенность ядер химических элементов точно согласовывалась с данными наблюдений, в том числе это касалось очень тесной связи между распространенностью дейтронов и барионной плотностью. Глядя на эти результаты, любому пришлось бы согласиться с тем, что Большой взрыв действительно произошел.

А пока этот процесс продолжался, астрофизики частиц (по большей части все те же люди во главе с Дэвидом Шраммом) с помощью новой стандартной модели элементарных частиц начали описывать то, что могло происходить, пока возраст Вселенной еще не достиг 1 с. Они приняли концепцию нарушения симметрии, которая стала фундаментальной составляющей физики, чтобы охарактеризовать серию фазовых переходов, происходивших, начиная с самого первого определимого момента Вселенной. При достижении критических значений температуры Вселенная совершала фазовый переход — подобно тому, как вода замерзает, становясь льдом, — от более высокой к более низкой симметрии с различными наборами частиц и сил, появляющимися вместе с новой симметрией.

Вспомним, что до истечения 1 с, когда температура составляла порядка 1 МэВ, Вселенная находилась в квазиравновесном состоянии, представляя собой смесь из примерно равного количества электронов, нейтрино, антинейтрино и фотонов, а также протонов и нейтронов, которых было в миллиард раз меньше. Из последних позже, когда Вселенная остыла и равновесие больше не могло поддерживаться, сформировались ядра легких элементов.

Давайте вернемся еще дальше во времени, до 10^-6 с, когда температура равнялась 1 ГэВ. Этот период все еще относится к эпохе, которую мы можем описать с позиции известных нам физических процессов как теоретически, так и эмпирически, так что это не просто спекуляция. Перед самым этим моментом Вселенная состояла из элементарных частиц, перечисленных в табл. 11.1, тогда не было ни протонов, ни нейтронов, ни вообще составных адронов какого-либо типа. Однако кварки не были свободными (в квантовой хромодинамике они и не бывают свободными), их наряду с глюонами удерживал заполняющий Вселенную густой «суп», называемый кварк-глюонной плазмой. Когда температура опустилась примерно до 1 ГэВ, произошел спонтанный фазовый переход, при котором образовались адроны с нулевым цветовым зарядом. В 1960-е годы мы с коллегами изучали их на ускорителях частиц. В ранней Вселенной было мало адронов, кроме протонов и нейтронов, но только потому, что они имели очень короткое время жизни.

Хотя с тех пор мы продвинулись в своих измерениях физических параметров примерно до уровня 1 ТэВ, ниже которого различимы сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, в основе стандартной модели лежит предположение, что свыше этого энергетического предела, то есть до одной триллионной доли секунды после начала Большого взрыва, слабое и электромагнитное взаимодействия были едины.

БАК позволит нам впервые экспериментально исследовать область высокой симметрии, предоставляя данные о состоянии физических процессов во Вселенной до 10^-12 с от начала Большого взрыва.