중입자 비대칭

3. 중입자 비대칭을 설명하는 다른 이론들

기본 입자에 전기 쌍극자 모멘트(EDM)가 존재하면 P대칭과 T대칭이 위반된다. 이는 입자와 반입자의 붕괴 속도 차이를 유발하여 물질-반물질 비대칭으로 이어질 수 있다. 여러 실험이 진행 중이나, 현재까지 측정 결과는 EDM이 0임을 나타낸다. 2014년 산화토륨(ThO) 분자를 이용한 실험에서 전자의 EDM 상한선이 측정되었다.^[20]

우주가 물질과 반물질 영역으로 나누어져 있다는 가설도 존재한다. 이 경계에서는 쌍소멸로 인해 엄청난 감마선이 방출될 것이다.^[17][18] 은하계 사이 공간의 밀도를 바탕으로 감마선 양을 계산할 수 있지만, 아직 이러한 지역은 관측되지 않았다. 30년간의 연구 결과, 관측 가능한 우주 내에는 반물질 영역이 없는 것으로 추측된다.^[19][12]

3. 1. 전기 쌍극자 모멘트 (EDM)

3. 2. 반물질이 많은 우주 구역 (한국어 문서)

3. 3. 거울 반우주 (영어 문서)

4. 중입자 비대칭 파라미터 (영어 문서)

물리학 이론의 과제는 물질이 반물질보다 우세하게 생성된 방법과 이러한 비대칭의 크기를 설명하는 것이다. 중요한 지표는 비대칭 파라미터 η이다.

:$\backslash eta\; =\; \backslash frac\{n\_B\; -\; n\_\{\backslash bar\; B\}\}\{n\_\backslash gamma\}.$

이 값은 중입자와 반중입자의 전체 수 밀도 차이(각각 ''n''_B 및 ''n'')와 우주 배경 복사 광자의 수 밀도 ''n''_''γ''의 관계를 나타낸다.

빅뱅 이론에 따르면, 물질은 약 3,000,000의 온도(평균 운동 에너지 3,000,000 / () = 0.3eV)에서 우주 마이크로파 배경(CBR)로부터 분리되었다. 분리 후, CBR 광자의 총 개수는 일정하게 유지된다. 따라서 시공간 팽창으로 인해 광자 밀도는 감소한다. 평형 온도 ''T''에서 입방 센티미터당 광자 밀도는 다음과 같이 주어진다.

:$n\_\backslash gamma\; =\; \backslash frac\{1\}\{\backslash pi^2\}\; \backslash left(\backslash frac\{k\_B\; T\}\{\backslash hbar\; c\}\backslash right)^3\; \backslash times\backslash int\_0^\backslash infty\; \backslash frac\{x^2\}\{e^x\; -\; 1\}\; \backslash ,\; dx\; =$

\frac{1}{\pi^2}\left(\frac{k_B T}{\hbar c}\right)^3 \times 2\,\zeta(3)\approx

20.3 \left(\frac{T}{1\text{K}}\right)^3 \text{cm}^{-3},



여기서 ''k''_B는 볼츠만 상수, ''ħ''는 플랑크 상수를 2로 나눈 값, ''c''는 진공에서의 빛의 속도, ''ζ''(3)는 아페리 상수이다. 현재 CBR 광자 온도 2,725에서는 입방 센티미터당 약 411개의 CBR 광자 밀도 n_γ에 해당한다.

따라서 위에서 정의한 비대칭 파라미터 ''η''는 "적절한" 파라미터가 아니다. 대신, 선호되는 비대칭 파라미터는 엔트로피 밀도 ''s''를 사용한다.

:$\backslash eta\_s\; =\; \backslash frac\{n\_B\; -\; n\_\{\backslash bar\; B\}\}\{s\}$

이는 우주의 엔트로피 밀도가 대부분의 진화 과정에서 상당히 일정하게 유지되었기 때문이다. 엔트로피 밀도는 다음과 같다.

:$s\; \backslash \; \backslash stackrel\{\backslash mathrm\{def\}\}\{=\}\backslash \; \backslash frac\{\backslash mathrm\{entropy\}\}\{\backslash mathrm\{volume\}\}\; =\; \backslash frac\{p\; +\; \backslash rho\}\{T\}\; =\; \backslash frac\{2\backslash pi^2\}\{45\}g\_\{*\}(T)\; T^3$

여기서 ''p''와 ''ρ''는 에너지 밀도 텐서 ''T''_''μν''의 압력과 밀도이고, ''g''_*는 온도 ''T''에서 "무질량" 입자(즉, ''mc''² ≪ ''k''_B''T''가 성립하는 경우)에 대한 유효한 자유도 수이다.

:$g\_*(T)\; =\; \backslash sum\_\{i=\backslash mathrm\{bosons\}\}\; g\_i\; \backslash left(\backslash frac\{T\_i\}\{T\}\backslash right)^3\; +\; \backslash frac\{7\}\{8\}\backslash sum\_\{j=\backslash mathrm\{fermions\}\}\; g\_j\{\backslash left(\backslash frac\{T\_j\}\{T\}\backslash right)\}^3,$

보손과 페르미온에 대해 각각 ''g''_''i''와 ''g''_''j'' 자유도를 온도 ''T''_''i''와 ''T''_''j''에서 갖는다. 현재 ''s'' = 이다.

참조

_[1] 웹사이트 The matter-antimatter asymmetry problem https://home.cern/to[...] 2018-04-03
_[2] 웹사이트 The Mystery of the Matter Asymmetry https://web.archive.[...] 2018-04-03
_[3] 서적 Particle and astroparticle physics CRC Press
_[4] 논문 Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe http://www.jetplette[...]
_[4] 논문 Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe https://web.archive.[...] 2017-12-06
_[4] 논문 Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe https://ufn.ru/en/ar[...]
_[5] 논문 A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s
_[6] 논문 Evidence for the 2π decay of the K meson
_[7] 논문 Baryon Asymmetry of the Universe in the Minimal Standard Model
_[8] 웹사이트 New source of asymmetry between matter and antimatter CERN https://home.cern/ab[...] 2017-12-05
_[9] 논문 Recent progress in baryogenesis
_[10] 서적 Wrinkles in Time Avon
_[11] 서적 Big Bang https://books.google[...] Freeman
_[12] 논문 Matter and Antimatter in the Universe
_[13] 웹사이트 Our universe has antimatter partner on the other side of the Big Bang, say physicists https://physicsworld[...] 2020-02-04
_[14] 논문 C P T -Symmetric Universe 2018-12-20
_[15] 논문 Synopsis: Universe Preceded by an Antiuniverse? 2018-12-20
_[16] 서적 Particle and astroparticle physics https://archive.org/[...] CRC Press
_[17] 서적 Wrinkles in Time https://archive.org/[...] Avon
_[18] 서적 Big Bang https://books.google[...] Freeman
_[19] 논문 Matter and Antimatter in the Universe
_[20] 논문 Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron http://www.sciencema[...] 2014-01-17