Всесвіт складається переважно з баріонної матерії - знайомих нам протонів, нейтронів, електронів та інших частинок. Вони утворюють зірки, галактики, планети й, звісно, людей.
Але ми спостерігаємо явний дисбаланс між кількістю частинок та античастинок. Згідно зі стандартною моделлю фізики і теорією Великого вибуху, ранній космос мав би бути симетричним щодо баріонів та антибаріонів (їхніх античастинок), з рівною кількістю і тих, й інших. Однак сучасні спостереження вказують, що існує крихітне перевищення баріонів над антибаріонами - приблизно одна самотня частинка на 10 мільярдів пар. Які фактично створили видиму у Всесвіті матерію.
Мало того, антиматерія якщо й існує, то тільки у формі математичних формул. Ми змогли довести реальність античастинок, але що таке “антизірка”, “антипланета” чи “антигалактика” ми не знаємо. Ми також не знаємо, чи потрібний їм антипростір і як він функціонує. Хоча б теоретично.
Щоб пояснити такий дисбаланс, потрібно залучити невідомі фізичні процеси, що порушують збереження баріонного числа, тобто пояснюють різницю між кількістю баріонів і антибаріонів. Такі процеси не допускаються класичним лагранжіаном стандартної моделі, адже він має бути інваріантним до глобальної U(1) симетрії, пов'язаної з баріонним числом.
Тому науковці перевели баріонну симетрію до класу нефундаментальних явищ, вважаючи, що вона випливає зі специфічної форми перенормованих взаємодій у стандартній моделі.
Далі наступає королівство трансцендентних припущень. Перше - порушення баріонного числа має супроводжуватися іншим порушенням симетрії: симетрією зарядової парності (СР).
Симетрія CP - це поєднання зарядового спряження (C), яке обмінює частинки на античастинки, і парності (P) і яка змінює просторові координати на протилежні. Якщо симетрія СР зберігається, то будь-який процес, що створює більше баріонів, ніж антибаріонів, також створить більше антибаріонів, ніж баріонів, коли є C і P.
Щоб отримати чисту баріонну асиметрію, потрібні деякі фізичні процеси, які порушують CP симетрію, а також зберігає баріонне число.
Стандартна модель містить джерело порушення СР: складну фазу в матриці Кабіббо-Кобаяші-Маскави (ККМ), вона описує змішування і зв'язки кварків. Однак це джерело занадто мале, щоб пояснити спостережувану баріонну асиметрію.
Космологи вимушені шукати нові джерела порушення за межами стандартної моделі. Доходить до конфліктів між різними дослідницькими групами. Теоретики не знають, які взаємодії можуть посилити або модифікувати механізм баріогенезу.
По-друге, необхідне відхилення від теплової рівноваги. Ця умова була вперше сформульована Андрієм Сахаровим у 1967 році, який визнав, що якби Всесвіт завжди перебував у стані теплової рівноваги, то гіпотетичний процес, який створює більше баріонів, ніж антибаріонів, був би врівноважений зворотним процесом, що створює більше антибаріонів, ніж баріонів.
Отже, для чистої баріонної асиметрії потрібна певна нерівноважна динаміка, здатна заморозити або придушити зворотний процес.
Одним зі способів досягти відхилення від теплової рівноваги може бути фазовий перехід у ранньому всесвіті, наприклад, електрослабкий фазовий перехід або фазовий перехід в дусі квантової хромодинаміки.
Під час фазового переходу, на тлі старої фази, зароджуються і розширюються бульбашки нової фази. Далі на стінках бульбашок відбуваються нерівноважні процеси, вони створюють більше баріонів, ніж антибаріонів. Якщо ці процеси також порушують симетрію СР і збереження баріонних чисел, вони одночасно генерують чисту баріонну асиметрію всередині або зовні бульбашок.
Втім, можна запропонувати декілька альтернативних теоретичних сценаріїв.
- - Велика об'єднана теорія (GUT) баріогенезу. Такий сценарій припускає розробку єдиної калібрувальної теорії сильної та електрослабкої взаємодій на дуже високих енергіях, зазвичай близько 10^16^ ГеВ. Для чого потрібні важкі калібрувальні бозони і бозони Гіґґса, які опосередковують процеси, що порушують баріонне число, розпад протона або розпад бозонів X і Y.
Ці ж процеси мають генерувати баріонну асиметрію під час або після інфляції, залежно від температури перегріву та швидкості розпаду важких частинок.
- - Лептогенез припускає активну роль важких стерильних нейтрино, приблизно з масу Майорани. Вони розпадаються на лептони та антилептони через зв'язки Юкави з бозоном Гіґґса та звичайні нейтрино.
Якщо розпади порушують симетрію СР, вони генерують лептонну асиметрію. З часом вона перетворюється на баріонну асиметрію за допомогою непертурбативних ефектів, що порушують як баріонне, так і лептонне число, але зберігають їхню різницю.
- - Суперсиметрія (SUSY). Це симетрія, яка пов'язує ферміони і бозони, позначаючи суперпартнерів для кожної частинки в стандартній моделі. Теоретично SUSY розв'язувати проблему ієрархії, стабілізуючи масу Гіґґса проти квантових поправок.
- - Додаткові виміри. Тут простір-час отримує понад чотири виміри, деякі з яких ущільнені або приховані від нашого спостереження. Додаткові виміри можуть змінювати шкалу Планка або локалізувати гравітацію на брані (теорія струн).
Додаткові виміри також створюють нових кандидатів на темну матерію з точки зору режимів Калузи-Кляйна або локалізованих на брані полів. Вони також впливатимуть на баріогенез, змінюючи динаміку електрослабкого фазового переходу або допускаючи альтернативні джерела порушення з боку операторів вищих вимірів.
- - Асимптотична безпека. Сценарій, за яким гравітація стає непертурбативно перенормованою при високих енергіях, наближаючись до фіксованої точки потоку групи перенормування.
Таким чином, асимптотична безпека не тільки розв'язує проблему ієрархії, роблячи гравітацію слабко зв'язаною на всіх масштабах, але й пропонує масивні гравітони на роль “кіперів” скалярних полів. І заодно моделює квантові гравітаційні ефекти.
