Космологические эффекты Скрытого сектора теории нарушенной симметрии поколений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

На правах рукописи

Г Г Б ОД

. л . , . V; ------

I ** ! ■•1 | V'

- ■•••> САХАРОВ Александр Семенович

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ "СКРЫТОГО" СЕКТОРА ТЕОРИИ НАРУШЕННОЙ СИММЕТРИИ ПОКОЛЕНИЙ

01.04.23- Физика высоких энергий

лотлосаспа-1" -

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

Москва, 1996 г.

Работа выполнена в Московском государственном инженерно- физическом институте (техническом университете)

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор М.Ю.Хлопов Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор ЕД.Жижин

кандидат физико-математических наук А.А.Старобинский

Ведущая организация Государственный . Астрономический институт им. П.К.Штернберга

Защита состоится и&0" и 1-0 И Я 1996г. в часов

"_00" минут на заседании диссертационного . совета К053.03.05. по адресу: Каширское шоссе, д.31, МИФИ, тел. 323-91-67,324-84-98.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан " £ " & 1996г. Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

. А.Н.Гудков

Общая характеристика работы.

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 ф! 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.

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:

1. Астрофизические и космологические следствия различных моделей невидимого аксиона. .

2. Генерация возмущений плотности вещества в фазовых переходах с нарушением симметрии поколений, на инфляционной стадии, в модели хаотической инфляции.

3. 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 Сильными 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 значении Ух вблизи Ю^веУ и 10 СеУ, и позволил ограничить остальные параметры модели. Для указанных значений К, 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 Ь 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 У,. При большем У, сценарий соответствует аксионной модели скрытой массы или (в зависимости от дополнительных параметров) смешанной холодно-горячей модели скрытой массы. При этом анатиз 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:

1. Проведенный анализ показывает, что сочетание лабораторных и астрофизических поисков эффектов невидимого аксиона позволило получить весьма определенные выводы о его существовании и допустимых свойствах:

2. Предсказанный реликтовый тепловой фон космических аксионов важен для разработки теории образования структуры Вселенной.

3. 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.

4. 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. '

5. Полученное, модально независимое, ограничение на шкалу аксионного взаимодействия делает предпочтительной смешанную аксионно-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.

1. Предсказание в модели адронного аксиона и архиона, с "низкой" шкалой взаимодействия, существования реликтового теплового фона космических аксионов (архионов).

2. Развитие метода космологической проверки моделей физики . элементарных частиц, привлекающих идеи спонтанного нарушения • симметрии в высоких энергетических масштабах, основанного на теории многокомпонентной инфляции.

3. Предсказание явления крупномасштабной модуляции плотности энергии когерентных колебаний аксионного поля в ранней Вселенной.

4. Построение иерархического распадного сценария образования крупномасштабной структуры Вселенной в теории нарушенной симметрии поколений.

5. Построение, на основе теории нарушенной симметрии поколений, минимальной, реалистической, количественной феноменологии, охватывающей единой схемой основные элементы современной теории элементарных частиц п современной космологии.

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований докладывались на VIII Российской гравитационной конференции (г.Пущино, 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 IX 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.

io

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести частей и заключения. Общий объем диссертации 108 страниц, включая список литературы из 81 наименования и два рисунка.

Содержание работы.

Идентичность трех известных поколений кварков и лептонов по отношению к сильным и электролабым взаимодействиям дает основания полагать, что существует так называемая горизонтальная симметрия между этими поколениями. Согласно bí ¡бранной концепции локальной горизонтальной симметрии SU(3)я левые компоненты кварков и лептонов преобразуются как триплеты SU(3)я, а правые как антитриплеты. При этом их

массовые члены преобразуются как 3x3=3 + 6 и, следовательно, могут возникать лишь в результате нарушения 5'С/(3)Н . В основе, излогаемого подхода лежит гипотеза отражения, согласно которой вид массовых матриц кварков и лептонов отражает характер нарушения горизонтальной симметрии (т.е. структуру вакуумных средних (ВС) горизонтальных скаляров, нарушающих SU(3)H), а иерархия масс между поколениями связана с определенной иерархией в этом нарушении. Для генерации реалистических массовых матриц кварков и лептонов требуется не менее трех таких горизонтальных скаляров. Один из них, обладающий наибольшим вакуумным средним, с необходимостью должен быть секстетом:

(«>>5 = 1,2,3), Остальные два скаляра ^ и ^ могут быть как секстетами так и (анти)триплетами

~ есфу^Г (п-1,2)- Описываемая модель удовлетворяет следующим принципам натуральности:

1. Естественная горизонтальная иерархия. Наблюдаемая иерархия масс поколений (например те\т \тг = 1:200:4000 и т.п.)

объясняется гораздо более слабо выраженной иерархией нарушения горизонтальной симметрии.

2. Естественное подавление нейтральных токов с изменением аромата (НТИА). В описываемой модели легкие скалярные 8и(2)®и(1)- дублеты, преобразующиеся по нетривиальным представлениям .££/(3)я и приводящие к недопустимо сильным НТИА, отсутствуют. Юкавские связи, ответственные за возникновение масс кварков и лептонов, включают единственный стандартный ^¿7(2)® £/(1)- дублет Хиггса (несмотря на то, что левые и правые компоненты преобразуются по противоположным представлениям группы горизонтальной симметрии). Это достигается ценой введения дополнительных сверхтяжелых фермионов, фактически образующих скрытый сектор теории. Массы кварков и лептонов возникают из-за смешивания с этими тяжелыми фермионами, т.е. реализуется так называемый зее-эаху-механизм не только для нейтрино, но и для всех кварков и лептонов. Таким образом, рассматриваемая схема при низких энергиях (Е=. т(1.) полностью редуцируется до стандартной 511(2)011(1)- модели с единственным хиггсовским дублетом.

3. Естественное решение проблемы нарушения СР в КХД Несмотря на наличие всего лишь одного хиггсовского дублета, теория позволяет естественным образом ввести и(1)- симметрию ■ • Печчей-Квин, ассоциируя ее с тяжелыми хиггсовскими полями, нарушающими БЩ3)я в энергетическом масштабе I7, . Нарушение этой глобальной и(1)- симметрии приводит к появлению псевдоголдстоуновского бозона а типа невидимого -аксиона, который объединяет свойства всех популярных голдстоуновских бозонов: аксиона, майорона, фамилона

(недиагональные по ароматам переходы) синглетного типа и носит название архион.

Схема нарушения 3)я <Э£/(1)Я - симметрии емеет вид:

3) я <8> и(\) я ЗЩ2) я 9 и(\) н1 -5-» и{1) я" /

где У3, У2, К, - энергетические масштабы трех горизонтальных хиггсовских полей.

Последовательный анализ астрофизических и космологических следствий различных моделей невидимого аксиона позволяет провести жесткий отбор таких моделей и выделить, как наиболее самосогласованную, модель архиона.

Сложная структура вакуума в КХД обусловленная инстантонными эффектами, вызывает появление в лагранжиане этой теории так называемого в- члена, который приводит к нарушению нарушает Р- и СР- инвариантности. В сильном взаимодействии эффекты такого нарушения не наблюдались, причем из отрицательных результатов поиска дипольного момента нейтрона с1п < \0~2Ье-$т . следует верхняя оценка константы

в < КГ9. Механизм естественного подавления величины в- члена связан с существованием дополнительной глобальной киральной симметрии [/(0 рд с некомпенсированной цветовой аномалией.

При нарушении и(\) Рд константа в приобретает динамический

смысл амплитуды псевдоголдстоуновского поля, так что (0)^ автоматически становится равной нулю. Такое псевдоголдстоуновское поле и называется аксионом. Важнейшим параметром, определяющим свойства аксиона, является энергетическая шкала ^ нарушения симметрии £/(1)^. Этот

ш У

параметр определяет как массу аксиона (та- Аа——где

К

тя{/х)~ масса (константа распада) пиона, а параметр Аа зависит

от выбора модели аксиона), так и силу его взаимодействия с фермиоиами (¿Г-ос/^-1) и калибровочными бозонами (С ас ) и связан с новым фундаментальным высоким энергетическим масштабом теории, при котором аксион становится невидимым. В настоящее время существуют три основных модели невидимого аксиона, а именно аксиона Дайна- Фишлера- Средницкого-ЛСитшщкого (01^2), аксиона Кима- Шифмана- Ванштейна-Захарова (КБУЕ) или адронного аксиона и модели архиона. Во всех моделях такого типа аксион возникает как голдстоуновский бозон, отвечающий фазе комплексного 817(2) (3)11(1) скалярного синглета

сг , а генерация связи типа аРК присходит после нарушения и{%- симметрии за счет механизмов, обеспечивающих наличие

и(\)р<2 -яи(3)с -Ш(3)_„- аномалии. БР8г и модели

являются стандартными, модель же архиона естественным образом возникает в теории нарушенной симметрии поколений.

Теория нарушенной симметрии поколений содержит глобальную симметрию II(1)я. нарушение которой приводит к появлению голдстоуновского бозона типа невидимого аксиона. названного архионом, который обладает как диагональными, так и недиагональными по ароматам взаимодействиями с фермиоиами. Отождествление этой глобальной Г/(1)я"- симметрии с симметрией РО возможно при условии наличия треугольной аномалии во взаимодействии аксиального тока 11 (1)я с глюонами-

авС . В простейшем варианте Ш(2)0£/(1)® Ш(з) „ ® 1/(\)н с

минимальным набором тяжелых фермионов эта аномалия сокращается, и архион остается почти безмассовым, наподобие ариона. Однако в отличии от ариона в этом случае у архиона отсутствует взаимодействие с . фотонами вследсвие параллельного сокращения треугольной диаграммы ^РетРет ■ Но при любом реалистическом расширении модели до модели великого

объединения (МВО), например в из-за

дополнительных тяжелых фермионов такие сокращения не имеют места, и архион становится сходным с адронным аксионом с сильно подавленным взаимодействием с лептонами. Совокупность астрофизических ограничений на модели невидимого аксиона в случае аксиона адронного типа, а следовательно и архиона, допускает значение параметра Ра = 10б СеУ. Можно показать, что это приводит к качественно новому эффекту установления равновесия аксионов с веществом и излучением в ранней Вселенной. Такое равновесие осуществляется после фазового КХД-перехода (Т, ^ \ 60MeV) за счет процесса типа лN <-» аЫ. Найдена простая явная зависимость температуры отцепления от в указанном выше процессе

Т =-^--(1)

15-21пК6

где У6 = /^/Ю6 СеУ, масса нуклона. Из выражения (1)

следует, что в интервале \06ОеУ < Ра < 10* СеУ имеет место установление равновесия аксионного газа с веществом и излучением, причем равновесие обеспечивается наличием равновесных NN - пар. В частности для /^=106СеУ температура отцепления Т^бОМеУ. Концентрация таких аксионов по отношению к концентрации нейтрино в современной Вселенной при У6 = 1 составляет па - 0,57.

В модели адронного аксиона наряду с расширением хиггсовского сектора вводится поле сверхтяжелого кварка О. Закаленная концентрация таких кварков может давать существенный вклад в современную плотность Вселенной. Используя уравнение закалки, можно получить верхний предел для массы таких экзотических кварков Шд < 5- \tfGeV. После

фазового КХД- перехода происходит адронизация, и тяжелые кварки входят в состав сверхтяжелых адронов. В ходе дальнейшей космологической эволюции С}- адроны могут сформировать аномальные ядра "диких" изотопов. Ожидаемая концентрация таких ядер вступает в противоречие с ограничениями на допустимую концентрацию таких изотопов. В свете этих трудностей модели адронного аксиона с низкой энергетической шкалой взатгодействия особое. значение , приобретает модель архиоиа, в которой естественным образом сочетается и нестабильность тяжелых кварков, и подавление связи с лептонами. : Наличие наряду с инфлатонным полем дополнительных

скалзфных хиггсовских полей и спонтанное нарушения

симметрии, связанное с этими полями на инфляционной стадии, приводит к предсказанию в спектре адиабатических возмущений плотности, генерируемых "на этой стадии, характерных выбросов отвечающих относительно высокой амплитуде возмущений на длинах волн, определяемых шкалой нарушения симметрии Показано, что в предположении наличия только гравитационного взаимодействия горизонтальных скаляров с инфлатоном (р. выполняются условия генерации "неплоского" спектра начальных возмущений с максимумами на масштабах

/¡У;) 2 ехр|л^105 У} !М2Р | (2)

где _/ = 1,2,3, Мр - масса Планка. Астрономические ограничения на допустимые сверхкрупномасштабные неоднородности и концентрацию первичных черных дыр с массой

М > Мр — = 4 • 1026 ехр[тр21Мр, (3)

¡и

позволили, в рамках модели многокомпонентной инфляции,

исключить значения шкалы нарушения симметрии поколений,

превышающие 10" Се V . Указанное ограничение позволило

существенно уменьшить, при определенных условиях.

неопределенность интервала значений "высоких". шкал. Такая неопределенность ранее была связана с неопределенностью в оценке плотности энергии когерентных колебаний аксионного поля, в случае, если фазовый £/(1) переход с нарушением симметрии поколений присходит на инфляционной стадии.

Невидимый аксион, в настоящее время, рассматривается как один из основных кандидатов на роль частиц, составляющих скрытую массу. Аксионная скрытая масса может существовать как в форме теплового реликтового фона так и в форме когерентных колебаний аксионного поля. Второй вариант, так называемой, аксионной холодной скрытой массы (СОМ) имеет место в случае "высокой" энергетической шкалы аксионного взаимодействия

010-И 0иСеУ, допустимой для всех моделей невидимого аксиона. Можно показать, что плотность энергии когерентных колебаний аксионного поля, в космологии невидимого аксиона, должна быть распределена во Вселенной в форме архиолей-нелинейных неоднородных структур, отражающих крупномасштабное распределение "броуновской" структуры аксионных нитей, окруженных стенками, которое имеет место в ранней Вселенной. Нити окруженные стенками, исчезают в процессах своей дальнейшей эволюции, а структура архиолей остается "замороженной" на радиационно доминированной стадии и описывается в больших масштабах как случайная броуновская сетка из бесконечных квазилинейных образований пылевидной материи с линейной плотностью ца. Расчитана пространственная

автокорреляционная функция предполагаемого распределения плотности

(Щк)&-(к')) = 12 рАМлк-Щк + к')7->ГУС2 (4)

где р0~ фоновая плотность; fm — ' для пылев0" стадии;

/¡ф^ - (бл-) ! - для радиационно доминированной стадии; G-гравитационная постоянная; рА - полная плотность энергии бесконечных линий, а также спектр неоднородностей, генерируемый такими . квазиодномерными перколяционными структурами

{^\k:t)=\2pAßJ-\f-^kt< (5)

здесь t - момент формирования структуры архиолей. Полученные адиабатические возмущения могут приводить к раннему

энерговыделению на уровне q = 4- Ю-11^^/^,0QgyJ > в то вРемя

как наблюдения спектра реликтового микроволнового фона свидетельствуют о том, что эта величина не превышает qohs< 3-1СГ\ Это приводит к ограничению Fa < 9 ■ 10п Gel'. Влияние же присутствия архиолей на квадрупольную анизотропию реликтового излучения находится на уровне

— = 2,3-10"6Г———V (6)

Г U 0U)GeVJ

Это сведетельствует о том, что величина шкалы аксионного взаимодействия не превышает

Fa<\,5\Oi0GeV (7)

Полученный верхний предел (7) на Fa существенно отличается, по своему характеру, от близкого по значению предела, ранее полученного из сравнения плотности аксионов от распадов аксионных нитей с критической плотностью и имеющего разброс в 2 порядка, в зависимости от предполагаемого спектра распадных аксионов. Рассуждения же, которые приводят к ограничению (7)

свободны от указанного недостатка и модельно независимы. Таким образом, отождествляя = У1 можно получит^ ограничение на шкалу нарушения симметрии поколений в "высоком" энергетическом масштабе.

Теория нарушенной симметрии поколений, являющаяся простейшей моделью квантовой ароматодинамики и связывает единой теоретической схемой разнородные кандидаты на роль частиц скрытой массы, обсуждаемые в современной теории образования структуры Вселенной, а именно архион с массой

т„ = 3-(10 'веУ/У^еУ и массивные нёшрино с определенной

иерархией масс

ту.т1,:ту=те:тм:т1 (8)

и времен жизни относительно распада на более легкое нейтрино и архион (Уя —> Уса). Абсолютные же значения масс и времен жизни зависят от шкалы нарушения симметрии поколений Ух и соотношенияюкавскихконстант р.

При фиксированной современной плотности рш и плотности барионов рв соотношение

Ра+Р^+Р^+Ру.+Рв^Рш (9).

становится уравнением относительно У, и р решение которого фиксируют дискретный набор космологических моделей с разными типами скрытой массы. В обшем случае имеется шесть возможных реализаций скрытой массы. Это холодная скрытая масса в форме когерентных колебаний аксионного поля, горячая скрытая масса в форме стабильных нейтрино и четыре возможности для нестабильной скрытой массы в форме нестабильных нейтрино. Два диапазона, допустимых значений шкалы нарушения симметрии поколений (определенных из космологических эффектов описанных выше), выделяют два варианта реализации скрытой массы и формирования структуры Вселенной.

. I) Иерархический распадный сценарий (НОБ), реализуемый при "низкой" шкале нарушения симметрии поколений = 106 Сер'. В ЬГОБ линейная стадия формирование структуры Вселенной происходит в условиях чередования стадий доминантности нейтрино, и их релятивистских продуктов распада. В период с /0 = 106М25. и до момента времени ту во Вселенной доминируют

уг с массой =1 + 2кеУ (указанный диапазон масс отвечает значению параметра М = 1 -г 0,5), распад которых приводит к периоду доминантности релятивистских V^ н а и последующему

Периоду доминантности V И с массой ТО., у = 0,1 ^ §,2кеУ , до момента времени . Распад ум —> Vеа обеспечивает замедление

темпа эволюции сформировавшейся крупномасштабной структуры и ее сохранение к: настоящему времени, реализуя тем самым модель нестабильной скрытой массы. В настоящее время доминирующей формой скрытой массы (при условии что у < 1,7) являются

реликтовые тепловые архионы с массой та = ЗеУ и

концентрацией па - 0,57/?,, и архионы от ранних распадов V, и

последующих распадов у . а также электронные нейтрино с

массой те = 1-т- 2еУ . Найдено полуаналитическое выражение для переходной функции в спектре начальных возмущений

Л« = ^((^л^сшГ <10)

здесь Тнш и Тсои стандартные переходные функции для моделей горячей и холодной скрытой с перенормированными соответствующим образом масштабами. 7» - описывает подтяжку возмущений реликтовых V к возмущениям Ут, которая происходит вплоть до момента ху .

II) Смешанная стабильная скрытая масса (MSDM), реализуемая при "высокой" шкале нарушения симметрии поколений. Формирование структуры происходит в условиях доминантности когерентных колебаний первичного аксионного поля и аксионов от распадов космических аксионных нитей и массивных стабильных нейтрино. В этом случае переходная функция имеет вид

Т\юм = ( TCDM + THDJ) . (II)

Как и любая калибровочная модель со спонтанным нарушением симметрии, теория нарушенной симметрии поколений привлекает целый ряд свободных параметров. Однако, претендуя на минимальную феноменологию основных явлений физики элементарных частиц и космологии, рассматриваемая модель, при сочетании различных предсказаний ограничивает значения этих параметров в системе соотношений, и позволяет разработать единую схему количественных связей.

Показано, что расширение ~ стандартной модели электрослабого взаимодействия и КХД, включающее спонтанно нарушенную горизонтальную локальную калибровочную симметрию, позволяет охватить количественно определенной феноменологической связью практически все основные явления микромира и современной космологии. Модель соединяет предсказания стандартной модели с описание спектра масс и смешивания кварков и лептонов, с предказанием. спектра масс нейтрино и параметров невидимого аксиона, предоставляя вместе с этим количественно определенные физические основания для теории инфляции, бариосинтеза и скрытой массы Вселенной.

В теории нарушенной симметрии поколений, по видимому, есть физические основания для реализации "сценария хаотического раздувания. Действительно, роль инфлатона может играть поле г] с вакуумным средним которого связаны массовые параметры , которые необходимы для реализации дираковского "see-saw"

механизма. Поле // является синглетом как по 3)я, так и по

Ш(2)®£/(1). . ■

Барионная ассиметрия возникает в результате сочетания неравновесных процессов с • Д£ = 2, связанных с "зее-эалу"-мехаитгзмом генерации майорановской массы нейтрино, и несохранения В+Ь при высоких температурах в стандартной модели электрослабого взаимодействия.

Дополнительные возможности двух выделенных сценариев скрытой ма!ссы могут быть связаны с присутствием архиолей. Основные результаты.

1. Проведен жесткий отбор моделей невидимого аксиона, и выделена как наиболее самосогласованная и физически обоснованная модель архнона, основанная на ' теории нарушенной симметрии поколений.

2. В модели адронного аксиона и архнона с "низкой " шкалой аксионного взаимодействия предсказано существование во Вселенной реликтового теплового аксионного фона, обусловленного процессами установления равновесия аксионов с плазмой на ранней стадии эволюции после фазового КХД-перехода за счет реакции даУ аМ.

3. В рамках модели многокомпонентной хаотической инфляпии получено ограничение на шкалу нарушения симметрии поколений в "высоком" энергетическом масштабе 1\ < 10" ОеУ. Неопределенность значений "высокой" шкалы ранее была обусловлена неопределенностью в оценке плотности энергии когерентных колебаний аксионного поля в случае, если фазовый переход с нарушением симметрии поколений фермионов. отождествляемой в модели с симметрией Печчей-Куин. происходит на инфляционной стадии.

4. Показано, что плотность энергии когерентных колебаний . аксионного поля в космологии невидимого аксиона, должна

быть распределена во Вселенной в форме архиолей- нелинейных

неоднородных структур, отражающих крупномасштабное, распределение "броуновской" структуры аксионных нитей, окруженных стенками, которое имеет место в ранней Вселенной.

5. Найден спектр неоднородностей, генерируемый квазиодномерными перколяционными структурами архиолей, состоящими из пылевидного вещества.

6. Исследованы эффекты обусловленные архиолями, влияющие на спектр и квадрупольную анизотропию реликтового микроволнового излучения. Получено модельно независимое ограничение на шкалу аксионного взаимодействия

7. Выявлен полный набор возможных реализаций скрытой массы в теории нарушенной симметрии поколений, которые последовательно воспроизводятся при изменении основного параметра модели. Два диапазона допустимых значений шкалы нарушения симметрии поколений (определенных из космологических эффектов), выделяют два варианта реализации скрытой массы и формирования структуры Вселенной.

8. Разработан иерархический распадный сценарий (НОБ), реализуемый при "низкой" шкале нарушения симметрии поколений. Формирование крупномасштабной структуры Вселенной в ИББ происходит в условиях чередования стадий доминантности нейтрино и их релятивистских продуктов распада.

9. Найдено полуаналитическое выражение для переходной функции в сценарии НОБ.

10. Показано, что расширение стандартной модели электрослабого взаимодействия и КХД, включающее спонтанно нарушенную горизонтальную локальную калибровочную симметрию, позволяет охватить количественно определенной феноменологической связью практически все основные явления микромира и современной космологии. Модель соединяет предсказания стандартной модели с описание спектра масс и

смешивания кварков и лептонов, с предказанием спектра масс нейтрино и параметров невидимого аксиона, предоставляя вместе с этим количественно определенные физические основания для теории инфляции, бариосинтеза и скрытой массы Вселенной.

Основные результаты диссертации опубликованы в

следующих работах:

1. Berezhiani Z.G., Khlopov M.Yu. Sakharov A.S.// Preprint of

: Departamento de Fisica Theorica Facultad de Ciencias Universidad

de Zaragoza, 91.29, 1992, p. 1-29, "On the primordial background of cosmic axions in quantum flayour dynamics low energy scale of family symmetry breaking",

2. Бережиани З.Г., Сахаров Á.C., Хлопов M.ЮЛ ЯФ., 1992, Т.55, с. 1918-1933, "О реликтовом фоне космических аксионов",

3. Сахаров АС., Хлопов М.Ю.// ЯФ., 1993, Т.56, с.220-230, ''Космологические проявления нарушения симметрии поколений в моделях многокомпонентной инфляции",

4. Сахаров А.С., Хлопов М.Ю.// ЯФ., 1994, Т.57, с.514-516, "Проблема неоднородности первичного аксионного поля",

5. Сахаров А.С., Хлопов М.Ю.// ЯФ., 1994, Т.57, с.690-697, "Горизонтальное объединение: как феноменология теории "всего"

6. Сахаров А.С., Судариков А.Л., Хлопов М.Ю., Шкляев А.А.// ЯФ., 1996, Т.59, с.295-299, "О возможности проверки модели горизонтального объединения в поисках распадов барионов",

7. Сахаров А С., Соколов Д.Д., Хлопов М.Ю.// ЯФ., 1996, Т.59, вып 6, "Крупномасштабная модуляция распределения когерентных колебаний аксионного поля в ранней Вселенной",

8. Сахаров А.С., Судариков А.Л., Хлопов М.Ю., Шкляев А.А.// ЯФ., 1996. Т.59, вып 7, "Вклад горизонтального взаимодействия в разность масс нейтратьных мезонов",

9. Khlopov M.Yu., Sakharov A.SJI Cosmoparticle physics I, edited by Khlopov M.Yu., et al„ 1995, p.271-286, "Cosmoparticle physics of family symmetry breaking",

10.Khlopov M.Yu., Sakharov A.S., Shklyaev A.A., Sudarikov A.L.// Cosmoparticle physics I, edited by Khlopov M.Yu., et al., 1995, p.287-290, "On possible tests of the model of horizontal unification in search for arhion decays of baryons",

11.Khlopov M.Yu., Sakharov A.S.// Тезисы докладов международного Астрофизического семинара (Санкт.Петербург, 12-14 сентября 1994г.), с.29, "Horizontal Unification as phenomenology of theory of Everythyng",

12.Sakharov A.S., Sarkisyan E.K.// Gravitation & Cosmology, 1995, №3, p.252-254, "On a possible geometrical description of the broken family symmetry",

13.Khlopov M.Yu., Sakharov A.S.// Тезисы докладов международной конференции по многомерной гравитации и космологии (г.Ярославль, 20-26 июня 1994г.), 1994, с.72, "The inhomogeneity problem for primordial axion and the solution for dark matter candidate in the gauge model of broken family symmetry",

14.Khlopov M.Yu., Sakharov A.S.// Gravitation & Cosmology, 1995, №3, p.219-227, "CosmoParticle Physics as a probe for the theory of physical spase-time"

15.Khlopov M.Yu., Sakharov A.S.// Particle astrophysics, atomic physics and gravitation, edited by Tran Thanh Van J., Fontaine F., Hinds E., 1994, p. 197-207, "Cosmoparticle physics of family symmetry breaking". _ _

Подписано в печать 15.04.96. Заказ . Тираж $0

Типография МИФИ, Каширское шоссе, дом №31.

экз.