энтропия фотонного газа

Это же значение независимым образом получается из анализа данных по анизотропии реликтового излучения. Из соображений электронейтральности плотность числа электронов почти равна плотности числа барионов, поэтому электроны вносят пренебрежимо малый вклад в полную плот

а её отношение к полной плотности энергии оценивается величиной $\Omega_B=0.045.$

$$\rho_{B,0}=m_Bn_{B,0}\approx2.5\times10^{-7} ~GeV~cm^{-3}, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(4)$$

Таким образом, плотность энергии барионов в современной Вселенной

$$\eta\equiv\frac{n_B}{n_\gamma}\approx6\times10^{-10}.PP \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(3)$$

Есть по крайней мере два способа определения плотности массы барионов. Один из них связан с первичным нуклеосинтезом - периодом термоядерных реакций ($T\sim 10^9 K$). Количество образующихся в результате этих реакций лёгких элементов зависит от барион-фотонного отношения, которое с тех пор остаётся неизменным. Сравнение результатов теории с данными измерений концентрации лёгких элементов даёт

$$s_0\approx 3000~cm^{-3}.\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(2)$$

где $g_*$ - число степеней свободы частиц с $m\lesssim T$, т.е. степеней свободы частиц, которые являются релятивистскими при температуре $T$ (вклад фермионов содержит дополнительный множитель $7/8$). Энтропия в сопутствующем объёме постоянна во времени, если отсутствуют экзотические процессы её генерации. Современное значение плотности энтропии (с учётом нейтрино, которые в расчётах, использующих сохранение энтропии, нужно считать безмассовыми)

$$s=\frac{2\pi^2}{45}g_*T^3, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)$$

Последняя величина получается из измерений современного значения параметра Хаббла в предположениях о справедливости общей теории относительности и о пространственной плоскостности Вселенной (точность, с которой экспериментально установлена пространственная плоскостность, соответствует отклонению полной плотности энергии от $\rho_{c}$ менее чем на 2% [16]). Ясно, что для пространственно плоской Вселенной справедливо соотношение $\sum_i\Omega_i=1$, где суммирование проводится по всем формам энергии. Известные формы материи во Вселенной - это, в основном, фотоны реликтового микроволнового излучения с температурой $T_0=2.726~K$, барионы и нейтрино. Современная плотность числа реликтовых фотонов составляет $n_\gamma=410~cm^{-3}$, а их плотность энергии $\rho_{\gamma,0}=2.7\times10^{-10}~GeV~cm^{-3}$. Видно, что последняя даёт очень малый вклад в полную современную плотность энергии. Отметим, что важной характеристикой ранней Вселенной является плотность энтропии, которая по порядку величины равна плотности числа фотонов. Точнее, в тепловом равновесии при температуре $T$ плотность энтропии даётся выражением

$$\rho_{c}=5\times10^{-6}GeV~cm^{-3}.$$

Прежде чем перейти к основному изложению, кратко обсудим современные представления о балансе энергии во Вселенной. Баланс энергии характеризуется параметрами $\Omega=\rho_{i,0}/\rho_c,$ где $\rho_{i,0}$ - современная плотность энергии, заключённая в материи типа i, $\rho_{c}$ - полная плотность энергии в современную эпоху,

В нашем изложении мы будем опускать многочисленные детали и постараемся сосредоточиться на основных идеях и результатах. Более подробное обсуждение космологических аспектов физики частиц содержится, например, в книге [1] и обзорах [2-7]. Тёмная материя, в том числе различные гипотезы о природе её частиц, рассматривается в обзорах [8-11]. Подробности, относящиеся к электрослабому бариогенезису, см. в обзорах [12-15].

Здесь мы обсудим некоторые примеры, иллюстрирующие потенциал LHC с точки зрения космологии. Мы обратимся сначала к тёмной материи и рассмотрим сценарий со слабовзаимодействующими массивными частицами (Weakly Interacting Massive Particle, WIMP), который по вполне объяснимым причинам сегодня является наиболее популярным. Мы также рассмотрим лёгкое гравитино как альтернативного кандидата на роль частицы тёплой тёмной материи. Обе эти гипотезы будут проверены в экспериментах на LHC, поскольку они требуют довольно определённой физики за пределами Стандартной модели. Затем мы перейдём к расмотрению электрослабого бариогенезиса - возможного механизма генерации асимметрии между веществом и антивеществом при температурах порядка 100 ГэВ, который тоже будет подтверждён или опровергнут на LHC.

Есть и гораздо более экзотические предположения о возможной физике за пределами Стандартной модели, такие как гравитация с фундаментальным масштабом энергий в ТэВ-области; их подтверждение на LHC будет иметь такое значение для космологии, которое трудно переоценить.

При удачном развитии событий в экспериментах на LHC будут открыты частицы тёмной материи и их партнёры - другие новые частицы, будет выяснено, какая физика стоит за асимметрией между веществом и антивеществом. В противном случае будут отвергнуты многие популярные и правдоподобные гипотезы, что тоже станет существенным шагом в развитии представлений о ранней Вселенной.

Начало работы Большого адронного коллайдера (LHC) - важнейшее событие не только для физики элементарных частиц, но и для космологии. Вселенная полна загадок. В ней содержится вещество и нет антивещества, и спустя 40 лет после осознания того, что этот факт представляет собой нетривиальную проблему, его однозначное объяснение по-прежнему отсутствует. Во Вселенной имеется тёмная материя, и пока неизвестно, из каких частиц она состоит. Есть и тёмная энергия, и её природа тоже неизвестна. Имеются серьёзные основания надеяться на то, что LHC прольёт свет на некоторые из этих проблем, занимающих важное место в знаменитом списке В.Л. Гинзбурга.

Космология и Большой адронный коллайдер

Автоматически входить при каждом посещении

Космология и Большой адронный коллайдер