Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема фундаментальной взаимосвязи микро- и макромира относится к числу одной из самых актуальных и в физике элементарных частиц, и в космологии. Об этом свидетельствует как наличие соответствующих секций практически на всех конференциях по этим наукам, так и значительное число специализированных международных конференций по этой проблеме. Широко признана необходимость изучения такой взаимосвязи для исследования очень ранней Вселенной, физической природы небарионной скрытой массы и построения на ее основе физически обоснованных космологических моделей. С другой стороны, эта взаимосвязь лежит в основе проверки на космологическую совместимость различных моделей элементарных частиц, содержащих предсказания недоступные лабораторной проверке. Это обстоятельство играет все более важную роль по мере развития идей единства фундаментальных сил Природы, построения все более широких схем единого описания элементарных частиц. Чем шире схема, тем шире полагаемая ею симметрия, охватывающая известные частицы, и больше набор гипотетических частиц и полей, дополняющих до этой симметрии набор известных частиц и полей. Новые частицы и поля возникают и при расширениях стандартной модели электрослабого и сильного (КХД) взаимодействия элементарных частиц, привлекаемых для решения отдельных проблем стандартной модели (аксионы - при решении проблемы нарушения СР в КХД, суперсймметричные частицы - при устранении квадратичной расходимости массы хиггсовского бозона за счет суперсимметрии в модели электрослабого взаимодействия). Именно с такими гипотетическими частицами и полями связываются в космологии физика процессов в очень ранней Вселенной и кандидаты на роль
частиц небарионной . скрытой массы, формировавших
крупномасштабную структуру Вселенной. Астрофизические и
космологические эффекты подобных частиц и полей позволяют
проверить предсказывающую их модель элементарных частиц на
космологическую совместимость. Однако выбор физических
оснований описания ранней Вселенной и скрытой массы
сталкивается с проблемой многообразия и физической
обоснованностью всех таких предсказаний. В частности, различные
кандидаты на роль частиц скрытой массы - массивные нейтрино,
аксионы, нейтралино, теневое вещество - вытекают из различных
расширений стандартной модели, дополняющих друг друга в своей
фі зической мотивировке, и, вообще говоря, не являются
альтернативными. Их же соединение в рамках широкой
всеохватывающей схемы, сильно затруднено обилием вариантов ее
реализации. Такие исследования активно проводятся в последние
годы как в России, так и в Центре астрофизики элементарных
частиц (Беркли, США), Международном Центре Теоретической
Физики (Триест, Италия), Римской астрономической
обсерватории, Фермиевской Национальной Лаборатории США, ЦЕРН и многих других национальных и международных институтах, центрах и организациях.
Развиваемый в данной работе, качественно новый подход, дал возможность на основе косвенных, космологических и астрофизических эффектов получить систему ограничений на свободные параметры конкретной модели физики элементарных частиц, а именно теории нарушенной симметрии поколений, в ее "скрытом" секторе. Такой единый подход к исследованию и космологических, и микрофизических явлений является характерной чертой науки космомикрофизики, которая появилась в последние несколько лет на стыке теории элементарных частиц и космологии и призвана соединить разрозненные результаты исследований отдельных сторон космологии и теории элементарных частиц в изучении оснований микро- и макромира и их фундаментальной взаимосвязи.
s
Цель работы.
Целью настоящей работы является комплексное исследование косвенных проявлений многопараметрического "скрытого" сектора теории нарушенной симметрии поколений, которое позволило бы обеспечить количественную определенность различных элементов этого "скрытого" сектора в области сверхвысоких энергий и построить реалистическую количественную феноменологию, охватывающую единой схемой все основные элементы современной теории элементарных частиц, и современной теории Вселенной. Такая схема может служить начальным этапом построения реалистического описания единой Структуры микро- и макромира.
Конкретно в диссертации рассматриваются следующие вопросы:
-
Астрофизические и; космологические следствия различных моделей невидимого аксиона. .
-
Генерация возлгущений плотности вещества в фазовых переходах с нарушением симметрии поколений, на инфляционной стадии, в модели хаотической инфляции.
-
Распределение плотности энергии когерентных колебаний аксионного поля в космологии невидимого аксиона.
4. Космологические сценарии формирования
. крупномасштабной структуры Вселенной, которые
воспроизводятся теорией нарушенной симметрии поколений.
5. Количественно определенная, феноменологическая
схема основных явлений микромира и современной
космологии, которая строится на основе теории
нарушенной симметрии поколений и ограничений на ее
свободные параметры.
Научная новизна.
Показано, что на основе дополнения симметрии стандартной модели калибровочной симметрией между поколениями фермионов при своей реализации позволило не только воспроизвести наблюдаемый спектр масс кварков и лептонов, но и включить в рамки единой схемы несколько различных направлений расширения стандартной модели и охватить в ней физику майорановской массы нейтрино, аксионов, майоронов, фамилонов, распадов нейтрино, инфляции и бариосинтеза. Создана единая физическая основа моделей горячей, холодной и нестабильной скрытой массы, выбор между которыми и соотношение между различными компонентами (массивными ст гбильными нейтрино, нестабильными нейтрино или продуктами и;, распада и архионами) определяется в первую очередь основным параметром модели- шкалой нарушения симметрии поколений Ул . Комплексный анализ физических, астрофизических и космологических следствий модели выделил два узких диапазона допустимых значений Vx вблизи 10 GeV и 10 GeV, и позволил ограничить остальные параметры модели. Для указанных значений F, на основе теории нарушенной симметрии поколений заложены основы космологических сценариев, включающих: стадию хаотической инфляции, вызываемой, скалярным полем, привлекаемым в модели для генерации дираковских масс кварков и лептонов; бариосинтез, обеспечиваемый сочетанием генерации избытка лептонного числа в неравновесных распадах с несохранением СР тяжелых правых майорановских нейтрино, служащих для генерации массы нейтрино, с электрослабым несохранением барионного и лептонного числа при высоких температурах; форму скрытой массы, соответствующую шкале нарушения симметрии поколений Vx. При большем Vx сценарий соответствует аксионной модели скрытой массы или (в зависимости от дополнительных параметров) смешанной холодно-горячей модели скрытой массы. При этом анализ формирования аксионов в очень ранней Вселенной обнаружил необходимое
существование во всех моделях невидимого аксиона структуры архиолей- начальных крупномасштабных неоднородностей плотности энергии когерентных колебаний аксионного поля. При меньшем \\ сценарий соответствует иерархической распадной модели нейтрино, в котором крупномасштабная структура Вселенной формируется. в чередовании стадий доминантности массивных нестабильных нейтрино и релятивистских продуктов их распадов и сочетаются достоинства моделей горячей, холодной и нестабильной скрытой массы. Оба сценария качественно соответствуют всей совокупности наблюдательных данных.
Научная и практическая ценность.
Изложенные в диссертации результаты и методы исследования космологических эффектов теории нарушенной
симметрии поколений могут найти применения в дальнейших исследованиях физики элементарных частиц, космологии ранней Вселенной и теории образования структуры Вселенной. В частности:
-
Проведенный анализ показывает, что сочетание лабораторных и астрофизических поисков эффектов невидимого аксиона позволило получить весьма определенные выводы о его существовании и допустимых свойствах:
-
Предсказанный реликтовый тепловой фон космических аксионов важен для разработки теории образования структуры Вселенной.
-
Метод космологической проверки моделей физики элементарных частиц, привлекающих идеи спонтанного нарушения симметрии в высоких энергетических масштабах, основанный на теории многокомпонентной инфляции, представляется.важным элементом получения ограничений на энергетические масштабы теорий элементарных частиц.
-
Архиоли могут иметь отношение к интересному виду альтернативных сценариев образования структуры, связывающих механизм формирования структуры с; неоднородностями типа топологических деффектов, предсказываемых на основе ряда моделей элементарных частиц во Вселенной. -;.'..'-.
-
Полученное, модельно независимое, ограничение на шкалу аксионного взаимодействия делает предпочтительной смешанную аксионнс-нейтринную модель скрытой массы.
6. Выделенные, физически обоснованные, варианты
реализаций скрытой массы и формирования структуры
Вселенной в теории нарушенной симметрии поколений,
представляют интерес для теории формирования
структуры Вселенной.
7. Рассмотренная модель является начальным
феноменологическим этапом построения реалистического
описания единой фундаментальной структуры микро- и
макромира.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Предсказание в модели адронного аксиона и архиона, с "низкой" шкалой взаимодействия, существования реликтового теплового фона космических аксионов (архионов).
-
Развитие метода космологической проверки моделей физики . элементарных частиц, привлекающих идеи спонтанного нарушения симметрии в высоких энергетических масштабах, основанного на теории многокомпонентной инфляции.
-
Предсказание явления крупномасштабной модуляции плотности энергии когерентных колебаний аксионного поля в ранней Вселенной.
-
Построение иерархического распадного сценария образования крупномасштабной структуры Вселенной в теории нарушенной симметрии поколений.
-
Построение, на основе теории нарушенной симметрии поколений, минимальной, реалистической, количественной феноменологии, охватывающей единой схемой основные элементы современной теории элементарных частиц м современной космологии.
Апробация работы.
Результаты проведенных исследований докладывались на VIII Российской гравитационной конференции (г.Пушино, Московской области 24-28 мая 1993г.), на международной школе-семинаре по многомерной гравитации и космологии (г.Ярославль, 20-26 июня 1994г.), на XIV и XV международных Морионских конференциях по астрофизике элементарных частиц (Виллар-сюр-Оллон, Швейцария, январь 1994г., 1995г.), на международной конференции "Астрофизика и космология после Гамова" (г.Одесса, Украина, 5-10 сентября, 1994г.), на международном астрофизическом семинаре посвященном 90 летию Г. Гамова (Санкт-Петербург, 12-14 сентября 1994г.), на ЇХ международном семинаре по физике высоких энергий и квантовой теории поля (г.Звенигород, Московской области, 16-22 сентября, 1994г.). на 1 международной конференции по космомикрофизике ';Космион-94" (г.Москва, 5-14 декабря, 1994г.), на 1 Ионовской школе-семинаре по основаниям теории физического пространства-времени (г.Ярославль, 18-25 июня, 1995г), на международной конференции "Очень ранняя Вселенная" (Гаета, Италия, 6-12 августа, 1995г.), на 14 международной конференции по общей теории относительности ( Флоренция, Италия, 6-12 августа, 1995г.).
Публикации.
Основные результаты, вошедшие в содержание данной диссертации опубликованы в 15 научных печатных работах.
Структура и объем диссертации.
