научная статья по теме ФРАКТАЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ, ПРЕОННАЯ СТРУКТУРА ЧАСТИЦ И ФАМИЛОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ФРАКТАЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ, ПРЕОННАЯ СТРУКТУРА ЧАСТИЦ И ФАМИЛОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 91, № 6, с. 423-433

УДК 524.88

ФРАКТАЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ, ПРЕОННАЯ СТРУКТУРА ЧАСТИЦ И ФАМИЛОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

© 2014 г. В. В. Бурдюжа*

Астрокосмический центр Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия Поступила в редакцию 31.07.2013 г.; принята в печать 30.10.2013 г.

Обсуждаются следствия преонной структуры вещества. Приведена таблица из элементарных частиц в eе преонной версии, т.е. когда кварки, лептоны и калибровочные бозоны — составные частицы. В преонной модели находит естественное объяснение темная материя, состоящая из псевдоголдстоунов-ских бозонов фамилонного типа с массой т ~ 10~3—10~5 эВ. Показано, что в среде из фамилонов, порождаемых верхними и нижними кварками разных поколений, могли иметь место фазовые переходы, происходившие при разных температурах и приведшие к фрактальной фрагментации среды и к образованию "выделенных шкал" во Вселенной. Проясняется роль поколений частиц. Приводится также краткое обсуждение фрактальности.

DOI: 10.7868/80004629914060024

1. ВВЕДЕНИЕ

Длинное название данной статьи связано с некоторыми интересными следствиями преонной структуры материи. Эти следствия — фракталь-ность в распределении наблюдаемых барионных структур, неизбежность фазовых переходов и фамилонный состав темной материи. Наблюдательные данные говорят о том, что, по крайней мере, барионная крупномасштабная структура образовалась при красном смещении г ~ 6—8 или еще раньше. [1]. Для стандартной ЛCDM-модели наличие структур на таких красных смещениях является трудностью, так как мало время для развития первичных возмущений до наблюдаемых структур на фоне расширяющейся Вселенной. Если же барионные структуры образовались на г ^ 10, тогда с необходимостью ключевую роль в этом процессе должны играть частицы темной материи (они подготовили среду для конденсации барионов).

В стандартной космологической модели одной из компонент темной материи являются легкие частицы идеального газа с массой т к 10_5 эВ, практически не взаимодействующие с частицами обычной материи. Их называют аксионами. Из-за сверхслабого взаимодействия с барионами и лептонами они до сих пор не обнаружены.

Существует и другая вероятная компонента "холодной" темной материи — нейтралино. Нейтрино

E-mail:burdyuzh@asc.rssi.ru

являются "горячей" компонентой темной материи. Частицы темной материи, в нашем случае фамило-ны (фамилоны — тип аксионов), на определенном этапе эволюции Вселенной в результате релятивистских фазовых переходов потеряли свою остаточную Щ1)-симметрию и образовали крупномасштабную структуру темной материи, т.е. подготовили среду для конденсации барионов.

Благодаря гравитации барионы "повторили" крупномасштабную структуру частиц темной материи, создав свою барионную крупномасштабную структуру. Другими словами, частицы темной материи из "равномерно" заполненного частицами пространства в результате фазовых переходов образовали некую структуру, которую в случае барионов мы называем крупномасштабной структурой Вселенной. В области сосуществования фаз во время фазового перехода в темной материи образуются возмущения плотности, носящие фрактальный характер, так как только критический феномен (фазовый переход) может дать фрактальный характер распределения флуктуаций плотности. И если фрактальное распределение барионной крупномасштабной структуры будет доказано окончательно, то тогда наша модель может стать основной моделью, объясняющей этот феномен.

Кроме того, как мы покажем далее, темная материя могла подвергнуться как минимум двум фазовым переходам в разное время, а значит и при разных температурах, выделив тем самым как минимум две характеристические шкалы: галактики с

размером К ~ 100—500 кпк и скопления галактик с размером К ~ 20—100 Мпк; при этом мы, однако, понимаем, что явно выделенных шкал нет, а есть неравномерное распределение в функциях масс. Вообще-то, общепринятой точкой зрения на образование крупномасштабной (барионной) структуры Вселенной является предположение о развитии в послеинфляционный период однородных и изотропных гауссовых скалярных возмущений плотности. Пострекомбинационный спектр этих возмущений связан с первоначальными возмущениями переходной функцией, которая сильно зависит от природы темной материи.

В стандартной космологической модели массивные космологические объекты образовались на красных смещениях г ~ 1—2. Введение в полную плотность О° вакуумной энергии Од (Л-члена) "позволяет" структурам образовываться на г ~ ~ 6—8. В нашей гипотезе темная материя создает первичный рисунок, который барионная компонента повторяет, гравитационно скучиваясь на различных масштабах, и не зависит явно от г. Дополнительно к интересным следствиям в астрономической картине мира мы обращаем внимание и на важное физическое следствие: структуризация барионной и темной материи возможна только в том случае, если имеют место три поколения элементарных частиц. Это может быть также астрономическим решением проблемы поколений.

2. ФИЗИЧЕСКАЯ ТОЧКА ЗРЕНИЯ

На вопрос, имеют ли фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) внут-

реннюю структуру, пока надежного ответа нет (хотя

мы знаем "великое" утверждение, что электрон так же неисчерпаем, как и атом). В Стандарт-

ной модели физики элементарных частиц калиб-

ровочные бозоны есть бесструктурные точечные

объекты (их размер г ^ 10"16 см), являющиеся

квантами полей и осуществляющие взаимодей-

ствие между лептонами и кварками. Следователь-

но, вариант составных фундаментальных частиц есть расширение стандартной модели вносимой в нее дополнительной симметрией. Симметрия же в современной физике — понятие основополагающее (калибровочная симметрия, как пример). Практика указывает, что все многообразие частиц в природе связано не только и не столько с симметрией, а с некоторым ее нарушением. Нарушение же симметрии возникает при понижении температуры (релятивистские фазовые переходы в течение эволюции

Вселенной).

Вероятно, весь сонм частиц, имеющийся в современную эпоху (г = 0), есть результат потери

Ve Vß Vt

e ß T

u c t

d s b

первичной симметрии (суперсимметрии) при охлаждении от планковской энергии 1019 до 2.7 х х 10"13 ГэВ. Такое "охлаждение" на 32 порядка, как легко заметить, не осталось без последствий после квантового туннелирования из "ничего" (так образовалась наша Вселенная).

К фундаментальным частицам в настоящее время относят шесть типов кварков (и, й, с, в, ¿, Ь), шесть лептонов (ие, е, и^, л, иТ, т), пять калибровочных бозонов (7, Ш±, 2°, д). Фундаментальные фермионы образуют три группы поколений частиц:

(1)

Уже на этом уровне материи можно заметить некоторую симметрию между лептонами и кварками. Самые легкие частицы (ve, e, u, d) образуют первое поколение частиц, и в каждом последующем поколении частицы тяжелее, чем в предыдущем. Фермионы первого поколения вместе с фотонами являются теми элементами, из которых состоит наблюдаемая нами Вселенная. Роль фермионов второго и третьего поколения кажется ничтожной, хотя они участвовали в определяющих процессах, характерных для ранней Вселенной, и как мы покажем в дальнейшем, структуризация барионной составляющей (образование галактик и скоплений галактик) была бы невозможна, а именно для нее необходимо как минимум три поколения частиц.

Симметрия между поколениями экспериментально наблюдается: различные поколения кварков и лептонов (1) совершенно одинаково участвуют в присущих этим частицам калибровочных взаимодействиях. Нарушение этой симметрии проявляется только в значениях масс частиц, принадлежащих разным поколениям. Любые причины отсутствуют (кроме выхода из рамок стандартной модели физики элементарных частиц) к запрету "опуститься" на следующий уровень фундаментальности, объявив, что кварки, лептоны и калибровочные бозоны — не фундаментальные частицы, а состоят из преонов, руководствуясь опять же принципами симметрии. И, конечно же, на этот путь становились многие [2—3]. Кроме того, наш интерес к преонной модели элементарных частиц связан с исключительно важными космологическими следствиями и экспериментом HERA [4— 5], результат которого был интерпретирован как лепто-кварковый резонанс (хотя имеется и другая интерпретация этого эксперимента).

Таблица 1. Известные элементарные частицы

1 -е поколение 2-е поколение 3-е поколение

кварки е = 2/3 и — верхний то = 2.3 МэВ е = 2/3 с — очарованный то = 1275 МэВ е = 2/3 1 — истинный то = 173500 МэВ фотон т = 0

ФЕРМИОНЫ е = -1/3 <1— нижний то = 4.8 МэВ е = -1/3 в — странный то = 95 МэВ е = -1/3 Ъ — прелестный то = 4180 МэВ КАЛИБРОВОЧНЫЕ глюон т = 0

е = 0 е = 0 е = 0 БОЗОНЫ ^ 0

лептоны электронное ие то < 0.000002 эВ мюонное и,, то < 0.19 эВ тау-неитрино vT то < 18 эВ

е= -1 е^ — электрон то = 0.511 МэВ е = -1 ц — мюон то = 105.7 МэВ е = -1 т—лептон то = 1776.8 МэВ Ш+, Ш-

Примечание. Пределы на массы нейтрино, как и массы всех частиц, взяты из работы [10]. Массы калибровочных бозонов слабого взаимодействия соответственно равны т = 91188 МэВ для Z0 и т = 80385 МэВ для Ш+, Ш-.

Итак, наша концепция преонной структуры материи позволяет решить, пока что на феноменологическом уровне, некоторые важные проблемы. Нет необходимости флуктуациям скалярного поля "выживать и расти" на фоне расширяющейся Вселенной. Мы предполагаем, что среда для гравитационной конденсации барионов подготовлена релятивистскими фазовыми переходами в темной материи, состоящей из аксионов фамилонного типа. Если образование барионных структур на больших красных смещениях (г > 10) является практически непреодолимой трудностью для стандартной ЛCDM-модели, то в преонной модели релятивистские фазовые переходы могли произойти в любое время, которое зависит от массы фамилонов, после чего среда готова для конденсации барио-нов. В этой модели, как уже было отмечено, во Вселенной выделяются "автоматически" несколько масштабов, которые в Стандартной космологической модели не имеют внятного объяснения. Аксионная парадигма темной материи для решения проблем барионной крупномасштабной структуры

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком