Svagt universum

Ett svagt universum är ett hypotetiskt universum som inte innehåller några svaga interaktioner , men som annars är väldigt likt vårt eget universum.

I synnerhet är ett svagt universum konstruerat för att ha atomfysik och kemi identisk med standard atomfysik och kemi. Dynamiken i ett svagt universum inkluderar en period av Big Bang-nukleosyntes , stjärnbildning , stjärnor med tillräckligt med bränsle för att brinna i miljarder år, stjärnkärnsyntes av tunga element och även supernovor som distribuerar de tunga elementen i det interstellära mediet.

Motivation och antropik

Styrkan i den svaga interaktionen är ett enastående problem inom modern partikelfysik . En teori bör helst förklara varför den svaga interaktionen är 32 storleksordningar starkare än gravitationen ; detta är känt som hierarkiproblemet . Det finns olika modeller som adresserar hierarkiproblemet på ett dynamiskt och naturligt sätt, till exempel supersymmetri , technicolor , skeva extra dimensioner och så vidare.

Ett alternativt tillvägagångssätt för att förklara hierarkiproblemet är att åberopa den antropiska principen : Man antar att det finns många andra fläckar av universum (eller multiversum ) där fysiken är väldigt annorlunda. I synnerhet kan man anta att " landskapet " av möjliga universum innehåller sådana där den svaga kraften har en annan styrka jämfört med vår egen. I ett sådant scenario skulle observatörer förmodligen utvecklas var de än kan. Om den observerade styrkan hos den svaga kraften då är avgörande för observatörernas uppkomst, skulle detta förklara varför den svaga kraften verkligen observeras med denna styrka. Barr och andra hävdade att om man bara tillåter den elektrosvaga symmetribrytande skalan att variera mellan universum och hålla alla andra parametrar fixerade, skulle atomfysiken förändras på ett sätt som inte skulle tillåta liv som vi känner det.

Antropiska argument har nyligen förstärkts av insikten att strängteorin har många möjliga lösningar, eller vacua, som kallas " stränglandskapet ", och av Steven Weinbergs förutsägelse av den kosmologiska konstanten genom antropiska resonemang.

Det hypotetiska universum utan den svaga interaktionen är tänkt att fungera som ett motexempel till det antropiska förhållningssättet till hierarkiproblematiken. För detta " svaglösa universum " varieras andra parametrar när den elektrosvaga brytningsskalan ändras. Strängteorin antyder faktiskt att landskapet är mycket stort och mångsidigt. Den skenbara beboeligheten i det svaga universum antyder att antropiska resonemang ensamt inte kan förklara hierarkiproblemet, såvida inte det tillgängliga vakuumet i landskapet är kraftigt begränsat av någon annan anledning.

Hinder

Svaglösa stjärnor

Ett av de största hindren för ett beboeligt svagt universum är den nödvändiga existensen av stjärnor. Huvudsekvensstjärnor arbetar genom att smälta två protoner till deuterium som ett första steg, vilket fortsätter genom svaga interaktioner. I det svaga universum Harnik, Kribs och Perez övervinns detta genom att säkerställa ett högt förhållande mellan deuterium och väte under Big Bang Nucleosynthesis (BBN). Detta tillåter långlivade stjärnor som drivs av direkt deuterium-protonbränning till helium, vilket fortsätter genom starka interaktioner. Det höga initiala deuterium/väte-förhållandet (~1:3 i massa) arrangeras genom att helt enkelt reducera det totala förhållandet mellan baryon och foton, vilket gör att BBN-deuteriumet kan produceras vid en lägre temperatur där Coulomb-barriären skyddar deuterium från omedelbar sammansmältning till ⁴
Han .

Överflöd av syre

Ett annat potentiellt problem för ett svagt universum är att supernovaexplosioner nödvändigtvis är neutrinolösa. Den resulterande effektiviteten av produktion och spridning av tunga grundämnen (särskilt syre) i det interstellära mediet för efterföljande inkorporering i beboeliga planeter har ifrågasatts av Clavelli och White.

Baryogenes

Baryogenes och leptogenes inom standardmodellen förlitar sig på den svaga interaktionen: för att materia inte ska utplånas av antimateria i det mycket tidiga universum, måste universum antingen börja med en annan mängd av varje (dvs initial baryon som inte är noll antal), eller erkänna Sacharovs tillstånd för baryogenes. I det senare fallet finns det två alternativ:

• Baryonnummerbevarande bryts störande , så att Lagrangian inkluderar explicita baryon-nummer icke-konserverande interaktioner. För att förhindra snabbt protonsönderfall måste denna interaktion vara med antingen tunga, exotiska partiklar som också skapas rikligt i universum och interagerar på märkliga sätt med baryonmateria, eller mycket svaga, eller båda. Om partiklarna som interagerar med baryoner inte interagerar starkt (och/eller elektromagnetiskt) själva, måste den starka interaktionen (och/eller elektromagnetiska interaktionen) vara en del av en större, spontant bruten, mätsymmetri.
• Bevarande av baryonantal bryts icke-perturbativt, dvs genom kvantanomali . Åtminstone en sådan mekanism är kiral anomali , som kräver förekomsten av den svaga interaktionen, eller åtminstone något som liknar den:
  • Det måste finnas en kiral gauge-interaktion, där fermionerna är i sin grundläggande representation.
  • För att inte vara anomal i sig själv (eftersom anomali i mätarinteraktion leder till inkonsekvens), är mätargruppen mycket begränsad, med SU(2)-symmetri som det enda alternativet bland SU(N)-grupper.
  • Masstermer bryter kiral symmetri, så för att baryonmassor ska vara möjliga måste den kirala gauge-interaktionen brytas spontant, vilket leder till en Higgs-mekanism .
  • Eftersom de elektromagnetiska och starka gauge-grupperna också behöver vara icke-avvikande leder detta till ytterligare begränsningar. Till exempel, om summan av elektromagnetiska laddningar av alla kvarktyper är positiv (mer allmänt, icke-noll), måste det finnas ytterligare, negativt laddade partiklar, kopplade till den kirala gauge-gruppen, som också kommer att skapas under baryogenes - nämligen leptonerna.

Harnik, Kribs och Perez hävdar att standardmodellen inte heller förklarar den observerade storleken på baryonasymmetrin, och att deras svaga universummodell bara fokuserar på den tid då asymmetrin redan existerar.

externa länkar

• Jenkins, Alejandro ; Perez, Gilad (december 2009). "Söker efter liv i multiversum" . Scientific American .