Релятивистские фазовые переходы в космологической плазме и их влияние на эволюцию Вселенной тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

1 Современное состояние теории космологических фазовых переходов и задачи диссертации.

1.1 Неизбежность релятивистских фазовых переходов в космологической плазме элементарных частиц.

1.2 Неравновесные состояния вакуума и плазмы элементарных частиц как фактор реалистичности сценариев эволюции Вселенной.

1.3 Электрослабый фазовый переход.

1.4 Постановка задачи.

2 Формирование макроскопической Вселенной в процессах квантового туннелирования и фазовых переходов второго рода.

2.1 Постановка проблемы возникновения макроскопической Вселенной.

2.2 Термодинамика равновесных состояний фаз.

2.3 Феноменологическая пространственно-временная динамика РФП.

2.4 Релаксационно-кинетическая модель РФП.

2.5 Эволюция Вселенной с большим начальным числом частиц.

2.6 Эволюция Вселенной с малым начальным числом частиц.

2.7 Элементы квантово-геометродинамического описания замкнутой изотропной Вселенной, способной к фазовому переходу.

2.8 Сценарии возникновения макроскопической Вселенной.

3 Фазовые состояния вакуума и плазмы элементарных частиц в Стандартной Модели с двумя хиггсовскими дублетами.

3.1 Стандартная модель с двумя хиггсовскими дублетами.

3.2 Группа симметрии G = Uy(l) х SUl{2) х ц х г2 и Целый Рациональный Базис Инвариантов.

3.3 Классификация фаз симметрийным методом и основные свойства фаз.

3.4 Остаточные симметрии фаз и симметрийно разрешенные фазовые переходы второго рода.

3.5 Свойства частиц в различных фазах.

3.6 Классификация фазовых переходов.

3.7 Возможности функционала четвертой степени. Фазовая диаграмма.

3.8 Варианты термодинамической эволюции космологической плазмы.

Основные результаты диссертации:

1. Методом, синтезирующим подходы Ландау-Халатникова и Зельдовича-Райзера, построена релаксационная кинетическая теория неравновесного перехода второго рода в нестационарной космологической плазме.

2. Указаны и изучены квантовые геометродинамические явления, приводящие, совместно с релаксационно - кинетическими процессами, к существенному и очень быстрому (мгновенному — с классической точки зрения) увеличению размеров Вселенной и числа частиц в ней.

3. Описан сценарий возникновения Вселенной с наблюдаемым числом частиц и оценены вероятности возникновения Вселенной с другими числами частиц.

4. В рамках Стандартной Модели с двумя хиггсовскими дублетами проведена полная классификация фазовых состояний вакуума и плазмы элементарных частиц. Показано, что для выбранного варианта дискретной симметрии модели возможны б различных фаз (ранее в литературе были описаны только четыре), одна из которых описывает наш Мир.

5. Установлены остаточные симметрии всех фаз, существование которых допускается двухдублетной Стандартной Моделью, и проведена сим-метрийная классификация фазовых переходов между различными фазами. В рассматриваемой модели указано на существование так называемого перехода симметрийно первого рода. В отличие от обсуждаемых в литературе переходов, род которых определяется математической структурой модельного неравновесного функционала Ландау, обсуждаемый переход симметрийно запрещен как переход второго рода.

6. С использованием результатов общего симметрийного анализа установлен полный набор управляющих параметров реалистического модельного функционала. Указаны физические причины, обуславливающие температурную эволюцию этих параметров, построена фазовая диаграмма и дана классификация возможных термодинамических путей эволюции ранней Вселенной в зависимости от значений управляющих ПП. Показана возможность эволюции через промежуточные фазы, в том числе через фазы с нарушенной электромагнитной ?7его(1) симметрией. Показано, что в случае эволюции через фазы с нарушенной иет( 1) симметрией существует специфическая безфотонная космологическая эпоха.

В качестве последующего приложения результатов, полученных во второй главе диссертации, следует указать на целесообразность более полного и детального изучения процессов, следствия которых могли бы быть наблюдаемы сегодня. В частности, интерес представляет осмысление, постановка и решение задачи о возмущениях плотности в туннелирующей Вселенной.

Использованный в третьей главе симметрийный метод классификации фаз и фазовых переходов в вакууме и плазме элементарных частиц может применяться к любой квантово-полевой модели, если задана группа симметрии и симметрийные параметры порядка. При дальнейшем исследовании конкретной (вычисленной в том или ином приближении) модели неравновновесного функционала, ее выводы должны согласовываться с результатами общесимметрийного метода. Сам факт согласования является критерием корректности и полноты этой модели функционала состояний. Если модель функционала описывает не все фазы, выявленные симмет-рийной классификацией, или не различает симметрийно различные фазы, то она не полна; наличие же решений, не согласующихся со свойствами симметрийно найденных фаз, свидетельствует о допущенной на том или ином этапе ошибке или же об использовании неоправданных приближений.

В заключение я хочу выразить благодарность Г.М. Верешкову за выбор направления исследования, анализ и обсуждение методики и результатов диссертации и Ю.М. Гуфану за обсуждение методики симметрийного исследования фазовых переходов и результатов третьей главы диссертации. Я также благодарна Ю.Н. Пономареву за помощь в компьютерной обработке результатов.

Заключение.

Предметом исследования в диссертации являются релятивистские фазовых переходы в космологической плазме. Вторая глава диссертации содержит вывод уравнений релаксационно-кинетической модели фазового перехода второго рода, аналитическое исследование этих уравнений и описание результатов численных экспериментов, на основе которых были сформулированы реалистические сценарии космологической эволюции. Третья глава диссертации посвящена общей симметрийной классификации фаз и фазовых переходов в двухдублетной СМ, описанию свойств этих фаз и их статуса как возможных промежуточных стадий космологический эволюции нашей Вселенной.

1. Д.А. Киржниц. Модель Вайнберга и "горячая" Вселенная, Письма в ЖЭТФ 15, 745-748 (1972).

2. D.A. Kirznits, A.D. Linde. Macroscopic consequences of the Weinberg model, Phys. Lett. B42, 471-474 (1972).

3. Д.А. Киржниц, А.Д. Линде. Релятивистский фазовый переход, ЖЭТФ 67, 1263-1275 (1974).

4. L. Dolan and R. Jackiw. Symmetry behavior at finite temperature, Phys. Rev. D9, 3320-3341 (1974).

5. S. Weinberg. Gauge and global symmetries at high temperature, Phys. Rev. D9, 3357-3378 (1974).

6. H. Georgi, S.L. Glashow. Unity of all elementary particle forces, Phys. Rev. Lett. 32, 438-441 (1974).

7. H. Georgi. The State of the art — gauge theories, in "Particles and Fields 1974", Proceedings of the Williamsburg meeting, Sept. 5-7,1974, ed. by C.E. Carlson, AIP Conf. Proc. No. 23, AIP, New York, 1975, p. 575-582

8. H. Fritzsch, P. Minkowski. Unified interactions of leptons and hadrons, Ann. Phys. 93, 193-266, (1975).

9. F. Giirsey, P. Ramond, P. Sikivie. A universal gauge theory model based on E6, Phys. Lett. B60, 177-180 (1976).

10. M. Yysotsky. On SUSY GUTs, Phys. Lett. B114, 125 (1982).

11. J. Lopez. Supersymmetry: From the Fermi Scale to the Planck Scale Rep. Prog. Phys. 59, 819-865 (1996).

12. R. N. Mohapatra. Supersymmetric Grandunification: An Update, Lectures presented at the Trieste summer school in July, 1999; UMD-PP-00-038; hep-ph/9911272

13. M.B. Einhorn, D.R.T. Jones. The weak mixing angle and unification mass in supersymmetric SU(5). Nucl. Phys. B196 , 475-489 (1982).

14. S. Dimopoulos, H. Georgi. Softly broken supersymmetry and SU(5). Nucl. Phys. B193, 150-165 (1981).

15. V.A. Kuzmin, M.E. Shaposhnikov. Higgs potential and symmetry breaking patterns in SO (10) model, Preprint IYaI-P-0201 (1981), 1-32.

16. J. Sato. A SUSY SO(IO) GUT with an Intermediate Scale, Phys. Rev. D53, 3884.3901 (1996).

17. F. Buccella, C. A. Savoy. Intermediate Symmetries in the Spontaneous Breaking of Supersymmetric SO(IO), Mod. Phys. Lett. A17, 1239-1248 (2002).

18. J.L. Hewett, T.G. Rizzo. Low-energy phenomenology of superstring-inspired Eq models, Phys. Rep. 183, 193-381 (1989).

19. J. Sato. Possible Candidates for SUSY E 6 GUT with an Intermediate Scale Prog. Theor. Phys. 96, 597-610 (1996).

20. V.A. Kuzmin, M.E. Shaposhnikov, I.I. Tkachev. Phase transitions in SU(5) model, Preprint IYaI-P-0195 (1981), 1-16.

21. F. Buccella, J.P. Derendinger, S. Ferrara, C.A. Savoy. Patterns Of Symmetry Breaking In Supersymmetric Gauge Theories. Phys. Lett. B115, 375-386 (1982).

22. J.C. Pati, A.Salam. Lepton number as the fourth color, Phys. Rev. D10, 275-289 (1974).

23. Л.Д. Ландау, E.M. Лившиц. Статистическая физика, M. Наука 1976.

24. G. Amelino-Camelia. Self-consistently improved finite temperature potential for gauge theories, Phys. Rev. D49, 2740-2751 (1994).

25. J. T. Lenaghen and D. H. Rischke. The O(N) model at nonzero temperature: renormalization of the gap equation in Hartree and large-N approximation, J. Phys. G 25, 2225-2233 (1999).

26. E.M. Лившиц, Л.П. Питаевский. Физическая кинетика. М. Наука 1986.

27. М.В. Волошин, И.Б. Кобзарев, Л.Б. Окунь. Пузыри в метастабиль-ном вакууме, ЯФ 20, 1229 (1974).

28. S. Coleman. The fate of the false vacuum. 1. Semiclassical theory, Phys. Rev. D15, 2929-2936 (1977).; Err. Phys. Rev. D16, 1248 (1977).

29. C. Callan, S. Coleman. The fate of the false vacuum. 2. First quantum corrections, Phys. Rev. D16, 1762-1768 (1977).

30. J. Ignatius, K. Kajantie, H. Kurki-Suonio, M. Laine. The growth of bubbles in cosmological phase transitions, Phys. Rev. D49, 3854-3868 (1994).

31. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М. Наука, 1963, гл. VIII.

32. Л.Д. Ландау, И.М. Халатников. Об аномальном поглощении звука вблизи точек фазового перехода второго рода, ДАН СССР 96, 496 (1954).

33. В.А. Рубаков, М.Е. Шапошников. Электрослабое несохранение ба-рионного числа в ранней Вселенной и в столкновениях частиц при высоких энергиях. УФН 166, 493-537 (1996).

34. T.W.B. Kibble. Topology of cosmic domains and strings, J. Phys. A 9, 1387-1398 (1976).

35. M.B. Hindmarsh, T.W.B. Kibble. Cosmic strings, Rep. Prog. Phys. 58, 477-456 (1995).

36. Я.Б. Зельдович. Космологическая константа и элементарные частицы, Письма в ЖЭТФ 6, 883-886 (1967).

37. С. Вайнберг, Проблема космологической постоянной, УФН 158, 639678 (1989).

38. S. М. Carroll. The Cosmological Constant, Living Rev.Rel. 4 1-50 (2001); astro-ph/0004075.

39. Г.М. Верешков, О.Д. Лалакулич, Ю.Н. Пономарев, Астрофизические явления, индущированные изменениями структуры физического вакуума. Труды Всероссийской конференции "Астрофизика на рубеже веков", Москва, "Янус-К", 497-509 (2001).

40. D. Land and Е. Carlson. Two Stage Phase Transition in Two Higgs Models, Phys. Lett. B292, 107-112 (1992).

41. A.Hammerschmitt, Л. Kripfganz, M.G. Schmidt. Baryon asymmetry from a two stage electroweak phase transition ?, Z.Phys. C64, 105-110 (1994).

42. V. Zarikas. The Phase Transition of the Two Higgs extension of the Standard Model, Phys. Lett. B384, 180-184 (1996).

43. A. B. Lahanas, V. C. Spanos, V. Zarikas. Charge asymmetry in two-Higgs doublet models, Phys. Lett. B472, 119 (2000).

44. Yu. Gufan, O. Lalakulich, G. Vereshkov. Symmetry breaking in two-Higgs-doublet Standard Model, J. Phys. G 27, 1987-2001 (2001).

45. Ю.М. Гуфан. К теории фазовых переходов, характеризуемых многокомпонентным параметром порядка, ФТТ 13, 225 (1971).

46. Ю.М. Гуфан. Структурные фазовые переходы. М., Наука, 1982.

47. Е.И. Кутьин, B.JI. Лорман, С.В. Павлов. Методы теории особенностей в феноменологии фазовых переходов, УФН 161, 109-147 (1991).

48. С.В. Павлов. Методы теории катастроф в иследовании фазовых переходов, Изд. Московского Госуниверситета, 1993.

49. А.Н. Guth, The inflationary universe: a possible solution to the horizon and flatness problems, Phys. Rev. D23, 347-356 (1981).

50. A.D. Linde. A new inflationary universe scenario: a possible solution of the horizon, flatness, homogeneity, isotropy and primordial monopole problems. Phys. Lett. В . 08, 389 (1982).

51. A. Albrecht, P. J. Steinhardt. Cosmology for grand unified theories with radiatively induced symmetry breaking. Phys. Rev. Lett. 48, 1220-1223 (1982).

52. А.Д. Линде. Хаотическая инфляционная Вселенная, ЖЭТФ 78, 149 (1983).

53. A.D. Linde. Chaotic Inflation, Phys. Lett. B129, 177-181 (1983).

54. V. N. Lukash, E. V. Mikheeva. Lambda-inflation and CMB anisotropy. Int. J. Mod. Phys. A15, ¿783-3804 (2000).

55. V.V. Burduzha, Yu.N. Ponomarev, O.D. Lalakulich, G.M. Vereshkov. The tunneling, the second order relativistic phase transition and the problem of the macroscopic Universe origin, Int. J. Mod. Phys. D5, 273292 (1996).

56. V.V. Burduzha, Yu.N. Ponomarev, O.D. Lalakulich, G.M. Vereshkov. New scenario of the early evolution of the Universe, Phys. Rev. D55, 7340-7345 (1997).

57. B.B. Бурдюжа, Г.М. Верешков, О.Д. Лалакулич, Ю.Н. Пономарев. Сценарий начальной эволюции Вселенной, обеспечивающий наблюдаемое число частиц, Астрон. Ж. 75, 805-817 (1998).

58. ALEPH Collaboration, DELPHI Collaboration, L3 Collaboration, OPAL Collaboration (the LEP Higgs Working Group). Search for the Standard Model Higgs Boson at LEP, LHWG Note/2001-03.

59. K. Inoue, A. Kakuto, H. Komatsu, S. Takeshita. Aspects of grand unified models with softly broken supexsymmetry. Prog. Theor. Phys. 68, 927949 (1982).;

60. J.F. Gunion and H.E. Haber. Higgs bosons in supersymmetric models, Nucl. Phys. B272, 1-111 (1986).; Err. 402, 567 (1993).

61. М.И. Высоцкий. Супере ¡гмметричные модели элементарных частиц, УФН 146, 591-636 (1985).

62. R.K. Kaul. Technicolor, Rev. Mod. Phys. 55, 449-475 (1983).

63. E. Farhi, L. Suskind. Technicolor, Phys. Rep. 74, 277-321 (1981).

64. D.E. Groom it et al. (Particle Data Group), Eur. Phys. J. C15, 1 (2002).

65. U. Baur it et al. (Summar y report of the Precision Measurement working group at Snowmass 2001), Present and Future Electro weak Precision Measurements and the Indirect Determination of the Mass of the Higgs Boson, BNL-HET-02/5.

66. J. Abdallah, it et al. (The DELPHI Collaboration). Searches for neutral Higgs bosons in e+e- colli-ons from y/s = 191.6 to 201.7 ГэВ , CERN-EP-2001-087.

67. J. Abdallah, it et al. (The DELPHI Collaboration) Search for Charged Higgs Bosons in e+e- Collisions at = 189 — 202 ГэВ, Phys. Lett. B525, 17-28 (2002).

68. V.A. Kuzmin, V.A. Rubakov, M.E. Shaposhnikov. On the anomalous electroweak baryon number nonconservation in the early Universe, Phys. Lett. B155, 36 (1985).

69. А.Д. Сахаров. Нарушение CP—инвариантности и С—асимметрия и бприонная асимметрия Вселенной, Письма в ЖЭТФ 5, 32 (1967).

70. К. Kajantie, М. Laine, К. Rummukainen, М. Shaposhnikov. Is There а Hot Electroweak Phase Transition at m# ^ rriw Phys. Rev. Lett. 77, 2887-2890 (1996).

71. F.Csikor, Z. Fodor, J. Ifeiter. End point of the hot electroweak phase transition, Phys. Rev. Lett. 32, 21-24 (1999).

72. D. Comelli, D. Grasso, M. Pietroni, A. Riotto. The sphaleron in a magnetic field and electro weak baryogenesis, Phys. Lett. B458, 304-309 (1999).

73. К. Kajantie, М. Laine, J. Peisa, К. Rummukainen, M. Shaposhnikov. The Electroweak Phase Transition in a Magnetic Field, Nucl. Phys. B544, 357-373 (1999).

74. R. Fiore, A. Tiesi, L. Masperi, A. Megevand. Effect of strong magnetic field on the first-order electroweak phase transition. Mod. Phys. Lett. A14, 407-416 (1999).

75. J. M. Moreno, M. Quiros, M. Seco. Bubbles in the supersymmetric standard model, Nucl. Phys. B526, 489-500 (1998).

76. James M. Cline. Recent Progress in Electroweak Baryogenesis, MCGILL-99/04. hep-ph/9902328.

77. M. Carena, M. Quiros, C. E. M. Wagner. Electroweak Baryogenesis and Higgs and Stop Searches at LEP and the Tevatron Nucl. Phys. B524, 3-22 (1998).

78. P. Huet, A.E. Nelson. Electroweak Baryogenesis in Supersymmetric Models, Phys. Rev. D53, 4578-4597 (1996).

79. J. M. Moreno, D. H. Oaknin, M. Quiros. Sphalerons in the MSSM, Nucl. Phys. B483, 267-290 (1997).

80. N. Rius, V. Sanz Supersymmetric Electroweak Baryogenesis, FTUV/99-48, IFIC/99-50. hep-ph/9907460.

81. N. G. Deshpande and E. Ma. Pattern of symmetry breaking with two Higgs doublets, Phys. Rev. D18, 2574-2576 (1978).

82. П.И. Фомин. Гравитационная неустойчивость вакуума и космологическая проблема, Препринт ИТФ-73-137Р, Киев, 1973; Докл. АН УССР А 9, 831 (1975).

83. L.P. Grishchuk, Ya.B. Zeldovich, Quantum Structure of Space and Time, Eds Duff M., Isham C. Cambridge University Press, p.353 (1983).

84. Я.Б. Зельдович. Рождение замкнутой Вселенной и антропогенный принцип, Письма в АЖ 7, 579-582 (1981).

85. A. Vilenkin. Creation of Universe from nothing, Phys. Lett. B117, 25 (1982).

86. A.D. Linde. Quantun creation of the inflationary Universe, Lett, nuovo cim. 39, 401 (1984).

87. П.И. Фомин. Гравитационная неустойчивость вакуума и квантовое рождение Вселенной, в сб. Проблемы теоретической физики, Киев, Наукова Думка, 285-292 (1986).

88. В.Н. Лукаш, А.А. Старобинский. ЖЭТФ 66, 1515 (1974).

89. Г.М. Верешков, Ю.С. Гришкан, С.В. Иванов, В.А. Нестеренко, А.Н. Полтавцев. Квантовые гравитационные эффекты в анизотропной Вселенной, ЖЭТФ 73, 1985-2007 (1977).

90. Y. Stanov, J. Traschen, R. Brandenberger. Universe reheating after inflation, Phys. Rev. D51, 5438-5455 (1995).

91. Г.М. Верешков, А.Н. Полтавцев. Эффект гравитационного обменного взаимодействия в космологическом фотонном газе, ЖЭТФ 71, 3-12 (1976).

92. Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц. Гидродинамика, М. Наука 1988.

93. Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц. Теория поля, М. Наука 1990.

94. B.S. DeWitt. Quantum theory of gravity. 1. The canonical theory, Phys. Rep. 160, 1113 (1967).

95. V.G. Lapchinsky, V.A. Rubakov. Canonical quantization of gravity and quantum field theory in curved space-time. Acta Phys. Polonica В 10, 1041-1048 (1979).

96. S.W. Hawking, D.N. Page. Operator ordering and the flatness of the Universe, Nucl. Phys. B264, 185-196 (1986).

97. B.L. Altshuler, A.M. Boyarsky and A.Yu. Neronov. The problem of classical limit in the quantum cosmology: The effective action language, Int. J. Mod. Phys. D5, 869-884 (1996).

98. S. Glashow and S. Weinberg. Natural conservation laws for neutral currents, Phys. Rev. D15, 1958-1965 (1977).

99. S. Coleman and E. Weinberg. Radiative corrections as the origin of spontaneous symmetry breaking, Phys. Rev. D7, 1988 (1973).

100. H.E.Haber, G.L.Kane and T.Sterling. The fermion mass scale and possible effects of higgs bosons on experimental observables, Nucl. Phys. B161, 493-532 (1979).

101. А. И. Вайнштейн, В. И. Захаров, М. А. Шифман, Хиггсовские частицы, УФН 131, 537-575 (1980).

102. Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц. Квантовая механика, М. Наука 1989.