автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Модель космологических проявлений современных теорий элементарных частиц в неравновесных процессах во вселенной

ргб оа - о мал ®

На правах рукописи

СЕДЕЛЬНИКОВ Евгений Викторович

МОДЕЛЬ КОСМОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЙ СОВРЕМЕННЫХ ТЕОРИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССАХ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Специальность 05.13.18 — теоретические основы математического моделирования, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

ХЛОПОВ М.Ю.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

КОНДРАТЮК Л.А. доктор физико-математических наук ЧЕЧЕТКИН В.М.

Ведущая организация - Государственный астрономический институт им.П.К. Штернберга РАН

Защита состоится "_"_ 1995г. в_часов на заседании диссертационного ¿овета К 003.91.01 при Институте математического моделирования РАН по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., д.4а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института математического моделирования РАН.

Автореферат разослан "_11_1995 г.

Ученый секретарь / ^__—'

диссертационного совета кандидат физико-математических наук С.Р. СВИРЩЕВСКИЙ

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Современный этап развития космологии характеризуется ее тесным слиянием с теорией -элементарных частиц. Возникающие в моделях великого объединения, супергравитации, суперструн и т.д. сверх-магеивные частицы и поля должны проявлять себя на ранних стадиях эволюции Вселенной; космологические следствия такого появления, отражающиеся в современных астрофизических данных, являются уникальным способом проверки предсказаний теории. При современных 'энергиях рождение этих гипотетических частиц невозможно, а взаимодействие за счет сверхмассивных полей является сверхслабым и, поэтому, труднонаблюлаемо.

Лабораторные методы проверки неизбежно основываются на косвенных методах исследования эффектов новых полей и частиц.

Отсутствие возможности прямой экспериментальной проверки теории придает особое значение вычислительному эксперименту. Моделирование физических процессов, происходящих с элементарными частицами при сверхвысоких энергиях в космологической плазме — единственный способ заглянуть в механизм явлений, происходящих в ранней Вселенной, оно позволяет на основе астрофизических наблюдений проверить предсказания теории в области, недоступной прямой экспериментальной проверке.

Основой проводимого исследования является теория горячей расширяющейся Вселенной. Наблюдательные данные о современной Вселенной (космологическое расширение, планковский спектр реликтового излучения, распространенность легких элементов) и всесторонняя детальная проработка теории'убедительно свидетельствуют в ее пользу. На ранних стадиях эволюции Вселенная характеризовалась высокой плотностью энергии, так что очень ранняя Вселенная является естественным полигоном для физики сверхвысоких энергий, предсказываемые гипотетические сверхмассивные частицы и поля должны были появиться в ранней Вселенной, что могло бы привести к разным космологическим следствиям для более поздних стадий эволюции в зависимости от параметров гипотетических частиц и полей, и проявиться в астрофизических данных о современной Вселенной. Сравнение наблюдательных данных, характеризующих современную Вселенную с предсказываемыми в моделях различных гипотетических явлений значениями накладывает весьма сильные ограничения на возможное существование подобных явлений и на параметры теорий, их предсказывающих.

Гипотетические процессы и явления, появляющиеся в очень ранней Вселенной, на более поздних этапах эволюции по разным физическим причи-

нам являются источниками высокоэнергетичных частиц обычной материи ((анти-)нуклоны, 7-кванты, (анти-)нейтрино, пионы и т.д.) с энергиями, значительно превышающими среднюю тепловую энергию частиц равновесной космологической плазмы. Параметры таких гипотетических источников (период действия во Вселенной, сорта и энергии испускаемых частиц, вклад в общую космологическую плотность и др.) определяются конкретными характеристиками рассматриваемых гипотетических явлений.

В зависимости от космологического масштаба времени гипотетических источников (например, времени жизни метастабильных частиц), их влияние проявляется в различных эффектах:

• влиянии на термодинамические условия, при которых протекает первичный нуклеосинтез в стандартной модели

• искажении спектра реликтового излучения (РИ)

• неравновесном космологическом нуклеосинтезе легких элементов, искажающем первичный химический состав Вселенной

• прямых потоках неравновесных частиц от гипотетических источников в современной Вселенной

Моделирование подобных явлений позволило выявить наиболее чувствительные параметры современной модели Вселенной к присутствию гипотетических источников неравновесных частиц в определенные периоды в ходе космологической эволюции.

Теория первичного космологического нуклеосинтеза является важнейшей составной частью космологической модели горячей Вселенной, она объясняет происхождение первичного химического состава во Вселенной. Теория искажений РИ проработана достаточно хорошо, по наблюдательным данным о спектре РИ можно наложить ограничения на гипотетическое электромагнитное энерговыделение в зависимости от момента времени во Вселенной, когда оно происходит.

В то же время вопрос о влиянии гипотетических неравновесных процессов на химический состав Вселенной и о космических лучах как о дополнительном источнике информации о неравновесных процессах в ранней Вселенной изучен недостаточно полно. В диссертации предпринята попытка рассмотрения этих вопросов в рамках единой физически обоснованной модели неравновесных процессов, вызванных присутствием неравновненых источников во Вселенной.

Особое значение имеет модель неравновесного космологического нуклеосинтеза: на ее основе показано, что обилие легких -элементов во Вселенной являггся очень чувствительным индикатором нрисугствия источников неравновесных частиц в продолжительный период космологической эволюции (10' -§-10! \\). Построена физико-математическая модель неравновесного космологического нуклеосинтеза. П]>оцессы неравновесного космологического нуклеосинтеза число ¡но моделировались на ЭВМ методом Монте-Карло. Прослежена непочка ядерных реакций вплоть до образования 'Ве. Показано, что выводы о допустимых парамеграх гипотегнческнх источников неравновесных частиц на основе наблюдаемого обилия Н'лия, лития и бериллия не существенно зависят от неопределенности ядерно-физическнх данных о моделируемых реакциях, что делает данный меюд достаточно надежным для исследования гипотетических явлений во Вселенной.

Результаты численного моделирования подкреплены аналитическим исследованием построенной модели неравновесного космологического нуклеосинтеза на основе метода кинетических уравнений. Написана система кинетических уравнений, которая может рассматриваться как формулировка наиболее общего подхода к анализу неравновесных процессов в однородной и изотропной Вселенной. Проведен анализ цепочек ядерных реакций неравновесного космологического нуклеосинтеза, выявлены основные процессы и реакции, ведущие к формированию неравновесного химического состава во Вселенной. Такой двойной подход показал, что обилия легких элементов можно рассматривать как надежный и чувствительный инструмент для проверки наличия гипотетических неравновесных процессов во Вселенной.

Общая система кинетических уравнений сведена к более простому описанию, учитывающему различное влияние равновесной и неравновесной компонент на неравновесный нуклеосинтез и достаточно быстрое по сравнению с темпом расширения формирование спектра неравновесных частиц. В противоположном случае, когда на функцию распределения неравновесных частиц влияет лишь космологическое расширение Вселенной (красное смещение), космические лучи могут рассматриваться в качестве дополнительной информации о гипотетических источниках неравновесных частиц во Вселенной.

Такой подход позволяет не только воспроизвести в рамках единой модели при соответствующих упрощениях все имеющиеся подходы И результаты по неравновесному космологическому нуклеосинтезу , выявить на основе полной физически обоснованной модели важные неучтенные процессы

я явления, но и указать экспериментальные и астрофизические данные, исследование и уточнение которых повысит точность и чувствительность данного метода.

Построена модель космологического происхождения космических лучей и 7-иэлучения от гипотетических источников неравновесных частиц в ранней Вселенной. Начиная с определенного момента (и в зависимости от энергии - в случае 7-квантов) гипотетические источники неравновесных частиц дают прямой вклад в спектр космических лучей и 7-излучения, наблюдаемый сегодня. Так, для неравновесных протонов этот момент наступает при ~ 7 • 1014с., из анализа 7-компоненты космических лучей можно получать информацию о неравновесных процессах во Вселенной, происходящих после 1012с. Неравновесные космологические потоки электронов (позитронов) указывают на то, что их неравновесный источник действует в настоящее время.

Соотнося между собой ограничения для гипотетических явлений, основанные на различных физических эффектах, можно не только наложить ограничения на источники неравновесных частиц й параметры соответствующих моделей элементарных частиц, но и на основе развитой модели дать позитивный ответ на вопрос: какими могут быть параметры гипотетических источников неравновесных частиц и какие физические эксперименты и астрофизические наблюдения необходимы для подтверждения соответствующей гипотезы.

Цель работы.

1) Разработка единой математической модели гипотетических неравновесных процессов во Вселенной и на ее основе выявление наблюдательных данных, наиболее чувствительных к присутствию неравновесных процессов в различные периоды эволюции ранней Вселенной. Применение методов математического моделирования при анализе этих процессов.

2) Построение и исследование модели неравновесного космологического нуклеосинтеза (аналитически,методом кинетических уравнений, и численно, методом Монте-Карло), как надежного и чувствительного метода анализа данных о химическом составе вещества во Вселенной для ограничения допустимых параметров неравновесных процессов в ранней Вселенной.

3) Разработка модели космологического происхождения космических лучей и их исследование как источника информации о неравновесных процессах в ранней Вселенной.

Научная новизна. Впервые сформулирована единая модель гипотетиче-

ских проявлений современной теории элементарных частиц в неравновесных процессах в ранней Вселенной. Показано, что понятие источников неравновесных частиц охватывает широкий круг предсказаний теории элементарных частиц. Построена единая модель неравновесных процессов в ранней Вселенной. Для анализа неравновесных процессов в однородной и изотропной Вселенной применен метод кинетических уравнений, что позволило обь-единить в едином подходе различные физические явлешы, связанные с такими процессами. Анализируется взаимодействие различных сортов неравновесных частиц с космологической плазмой и указаны в зависимости от параметров гипотетического источника эффекты присутствия этого источника во Вселенной.

Так, обилие легких элементов является эффективным средством для проверки наличия гипотетических явлений в период 104 -г 1015с., протонная компонента космических лучей способна дать информацию о неравновесных процессах, начиная с ~ 7 • 10,4с., а начиная с ~ 1012с. неравновесные процессы дают вклад в 7-компоненту космических лучей.

Построена модель космологического происхождения космических лучей и 7-излучения и на ее основе впервые показано, что для формирования спектра неравновесного 7-излучения, наряду с Комптон-эффектом и рождением е+е~ пар, существенную роль играет процесс 77 —+ 77 рассеяния неравновесных фотонов на реликтовом излучении.

Проанализированны эффекты от ПЧД в зависимости от их массы и получены новые, более жесткие ограничения на концентрацию первичных черных дыр (ПЧД) из данных об обилии Ы и Ве.

Построена модель неравновесного космологического нуклеосинтеза. Моделирование неравновесного космологического нуклеосинтеза методом Монте-Карло доведено до образования ЬЫ}Ы и 1 Ве. Проанализирована зависимость выхода Ы,Ве от параметров аналитической аппроксимации экспериментальных данных о распределении по энергиям ядер-продуктов ^^-расщепления 4#е.

Показано, что выводы о допустимых параметрах гипотетических источников неравновесных частиц на основе наблюдаемого обилия лития и бериллия являются устойчивыми к имеющейся неопределенности ядерно-физических данных.

Научно-практическая значимость. Построена единая модель неравновесных процессов в ранней Вселенной, позволяющая на ее основе получать жесткие ограничения на параметры источников неравновесных частиц, пред-

сказываемые современной физикой элементарных частиц. Тем самым предложен метод проверки предсказаний современной теории микромира по ее космологическим проявлениям," связанным с источниками неравновесных частиц во Все. юлной.

Построена модель неравновесного космологического нуклеосинтеза. Результаты численного моделирования процессов неравновесного космологического нуклеосинтеза методом

Монте-Карло, устанавливающие слабую зависимость выхода Li и De от ядерно-физических параметров, делают заключения о допустимых свойствах гипотетических полей и частиц на основе наблюдаемого обилия легких элементов достаточно надежными, открывая новые астрофизические аспекты исследований взаимодействия антипротонов с ядрами *Не, в частности, планировавшихся в рамках проекта АСТРОБЕЛИКС.

Разработка модели неравновесного космологического нуклеосинтеза, анализ неравновесных процессов на основе метода кинетических уравнений, качественное соответствие результатов численного моделирования такому анализу делают наблюдаемое обилие легких элементов очень чувствительным и надежным инструментом для тестирования параметров различных теорий элементарных част ид, предсказывающих неравновесные процессы во Вселенной.

На основе впервые предложенной модели космологического происхождения космических лучей и 7-излучения, космические лучи рассматриваются как источник информации о неравновесных процессах во Вселенной. Разработанная модель находит применение в "Комплексных астрофизических и экспериментально-физических исследованиях физики сверхвысоких энергий и космологии ранней Вселенной" (проект "Космомикрофизика"), положенных в основу раздела "Космология и микрофизика4 Государственной научно-технической программы "Астрономия. Фундаментальные космические исследования." Результаты диссертации учитываются при разработке программы наблюдений CAO, при разработке проектов экспериментальных исследований ОИЯИ. Проведенные в данной работе исследования найдут применение в совместном исследовании физической природы скрытой массы и возможных космомикрофизическнх проявлений ее аннигиляции и распада (международный проект ASTRODAMUS), осуществляемый Национальным Институтом Ядерной Физики (Италия) и НУЦ "Космион". В частности, из результатов работы следует, что планируемые исследования на 7-телескопе GILDA (Италия) в интервале энергий 20 Мэв -Ь 100 Гэв мо-

гут дать информацию о неравновесных процессах, идущих во Вселенной, начиная с ~ Ю'^с.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались

на:

• семинарах Римской Астрономической обсерватории, Университете в Триесте, Римском университете

• семинарах Научно-Учебного Центра по Космомикрофизике "Космион"

о международной конференции "Рождение Вселенной и фундаментальная физика", Рим, май 1994, Италия

е международном семинаре памяти Г.Гамова в С.-Петербурге

в международной конференции по космомикрофизике "Космион-94'', посвященной 80-летию Я.Б. Зельдовича и 5-й годовщине памяти А.Д. Сахарова, декабрь 1991, Москва

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложении и списка цитируемой литературы из 23 наименований, Общий обьеы работы 80 страниц.

Содержи:;'?1 работы. Во введении обосновывается актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертационной работе, формулируются основные цели. После рассмотрения результатов, достигнутых в данной области другими исследователями, дано краткое изложение содержания работы и распределения материала по главам.

Первая глава посвящена общему анализу неравновесных процессов во Вселенной, их влиянию на параметры стандартной модели Вселенной в зависимости от космологического масштаба времени гипотетического источник;! неравновесных частиц. Вводимое понятие гипотетического источника неравновесных частиц позволяет охватить очень широкий круг космологических проявлений современной физики сверхвысоких энергий в ранней Вселенной, Физически обосновывается и строится модель гипотетических неравновесных процессов во Вселенной.

В зависимости от влияния на динамику космологического расширения можно выделить два физически различных случая источников неравновесных частиц.

Данные о спектре РИ накладывают верхний предел на возможную величину высвобождаемой электромагнитной энергии 6с при * > 104с., а именно, бе < 10-4е7, где е7 - плотность энергии РЙ. Таким образом, в этот период источники неравновесных частиц не могут доминировать во Вселерной, и их существование практически не влияет на закон космологического расширения, за исключением чистых источников слабо взаимодействующих частиц, например, чисто нейтринных источников. Источник неравновесных частиц называется слабым, если плотность энергии неравновесных частиц мала по сравнению с общей космологической плотностью И его присутствие не влияет на темп расширения Вселенной.

При t < 104с, плотность плазмы достаточно высока для эффективного преобразования неравновесной энергии и формирования планковского спектра излучения. В этод период величина бе может превосходить £у, что вызовет за собой изменение закона расширения в период, когда неравновесные частицы появляются во Вселенной. Присутствие этих источников коренным образом меняет стандартную картину первичного нуклеосинтеза. Чувствительность выхода 4Не к присутствию дополнительных сортов релятивистских частиц является наиболее известным тестом для присутствия таких частиц во Вселенной в этот период.

Наличие сильного источника неравновесных слабовзаимодействующих частиц характеризует модели с нестабильной скрытой массой,,формирующей крупномасштабную структуру Вселенной. В разрабатываемой модели йсобое место занимает случай слабых источников, как наиболее интересный для развития чувствительных методов проверки наличия даже небольшой концентрации неравновесных источников во Вселенной.

Для дальнейшего анализа слабых источников неравновесных частиц применен общий кинетический подход к неравновесным процессам в космологической плазме, вызванным потоками частиц высокой энергии от гипотетических источников. Рассматривается случай источников неравновесных частиц, равномерно распределенных во Вселенной. Такой подход допустим, если неоднородность распределения источников существенна в масштабах, много меньших масштабов современных неоднородносгей, поскольку в случае сильно неоднородного распределения источников в малых масштабах их совокупное действие, усредненное в больших масштабах, вводится к переопределению параметров индивидуальных источников с однородным распределением. *

В рассматриваемом случае однородной среды распределение находя-

щихся в тепловом равновесии при температуре Т(Ь) частиц »-го типа по импульсам/? в момент времени I задается функцией распределения/,-(р, Т'(<), а распределение неравновесных частиц »'-го типа - функцией ¿). Сам источник неравновесных частиц характеризуется его интенсивностью <5,(75, т), т.е. зависимостью от импульса р функции распределения частиц ¿-го типа, испущенных за единону времени в момент времени t. Здесь т указывает космологический масштаб времени источника. Для суммарной функции распределения = /; + анализируется система кинетических урав-

нений:

Здесь Я(г) - постоянная Хаббла в момент а сголкновительные члены /+ и определяют приход и уход частиц г-го типа, обусловленный их взаимодействием с другими частицами, для сферического слоя в пространстве импульсов радиуса р и ширины Ар.

Система уравнений (1), дополненная системой космологических уравнений, может рассматриваться как формулировка наиболее общего подхода к анализу неравновесных процессов в однородной и изотропной Вселенной.

Чтобы проанализировать влияние источников неравновесных частиц на обилие легких элементов, нужно перейти от уравнения (1) к более простому описанию, учитывакщему различное влияние равновесной и неравновесной компонент на неравновесный нуклеосинтез и достаточно быстрое по сравнению со скоростью расширения формирование спектра неравновесных частиц. Последнее условие справедливо при Яту <С 1, где г,- - характерное время процесса взаимодействия (или распада) частиц г-го типа с плазмой. Тогда можно пренебречь в левой части уравнения (1) эффектами расширения и красного смещения, и исследовать задачу в стационарных условиях (главы 2,3).

В противоположном случае Яг,- 1 несущественными оказываются процессы взаимодействия частиц, и можно пренебреч вкладом столкновитель-ных членов в правую часть уравнения (1)(глава 4) .

Вторая глава посвящена построению физико-математической модели неравновесного космологического нуклеосинтеза, вызванного слабыми источниками неравновесных частиц.

Неравновесная частица участвует в процессах неравновесного нуклеосинтеза, если характерное время взаимодействия этой частицы с плазмой первичного нуклеосинтеза (с адрами водорода и гелия) мало по сравнению с

темпом космологического расширения (и со временем жизни частицы, если она нестабильна): „„<„„> <С <(г). Так, медленные нейтроны участвуют в неравновесном нуклеосинтезе до 10вс., энергичные с энергией ~ 10 Гэв вплоть до 107с. Другие нестабильные частицы практически не играют роли. Основную роль в реакциях неравновесного нуклеосинтеза играют антипротоны и протоны. Скорость ядерных процессов в плазме с их участием превышает скорость космологического расширения до момента 5-101;,с. При взаимодействии с равновесными протонами и ядрами 4 Не, эти неравновесные (антипротоны рождают каскад вторичных (ант'и-)протонов, 7-квантов, которые наряду с возможными прямыми потоками неравновесных фотонов от гипотетического источника взаимодействуют с первичным 4 Не, и, разрушая его, производят неравновесные потоки вдер ?Не4Не, которые в свою очередь взаимодействуют с первичным 4 Не, производя 1л,Ве и т.д. Неравновесные 7-кванты существенны для нуклеосинтеза только на РД стадии.

На стадии доминантности вещества 7-кванты перестают разрушать 4Не, взаимодействуя только с РИ, а в определенном энергетическом интервале (см. главу 4) дают прямой вклад в спектр космических лучей, начиная с ~ 1012с. Все неравновесные адра испытывают кулоновское торможение в космологической плазме.

Итак, в случае «С t неравновесная частица участвует в неравно-

весном космологическом нуклеосинтезе, а система уравнений (1) с соответствующими столкновительными членами сводится к системе кинетических уравнений для процессов, происходящих с неравновесными частицами в стационарных условиях:

= /+ + /-+<& (2)

Для равновесных частиц вместо их функции распределения /,■ при этом в столкновительных членах можно пользоваться концентрацией п;(Г): п,(Г) = / /¡(р,Т, 4) йр. Г(<) определяется законом расширения. Функция источника <2; входит в уравнения только для неравновесных (анти-)нуклоиов, фотонов и электронов (позитронов).

После анализа вдерных цепочек образования легких элементов, система уравнений (2) написана в явном виде.

Показано, что два существующих подхода к процессам, происходящим при неравновесном нуклеосинтезе, вытекают из написанной системы уравнений. Разработанная модель позволила уточнить границы применимости этих подходов и выявить неучтенные в этих подходе« эффекты.

Глава третья описывает постановку задачи и результаты численного моделирования процессов неравновесного нуклеосинтеза методом Монте-Карло.

В однородной плазме "включается" источник неравновесных частиц. Для каждой такой частицы методом Монте-Карло расчитывается траектория с учетом упругих и неупругих взаимодействий частнц в плазме вплоть до аннигиляции р или замедления р до энергий ниже порога разрушения определяется вероятность образования £>,Т,3Яе и неравновесного 4Не во взаимодействиях либо самой частицы, либо энергичных вторичных частиц.

Для энергетического распределения ядер-продуктов разрушения 4Яе использовалась аналитическая аппроксимация экспериментальных данных, параметры которой варьировались. Прослеживая дальше цепочку реакций неравновесного нуклеосинтеза, изучалось образование ядер 6Ы,7Ы,7Ве в реакциях неравновесных потоков В,Т и 3 Не с ядрами 4 Не первичного состава. В численном моделировании учитывались упругое (ядерное) рассеяние с протоном или ядром 4Не, неупругое рассеяние на этих ядрах, ядерные реакции неравновесных Р,Т,3Не,4Не с первичным 4Не, кулоновское торможс-ние в плазме. Для антипротона учитывалась возможность его аннигиляции с протоном или ядром А Не.

Показано, что выходы 3Не,6,7Ы7Ве в процессах неравновесного нуклео- ' синтеза слабо зависят от неопределенности ядерно-физических данных, делая заключения о допустимых свойствах полей и частиц достаточно надежными. Ограничения на гипотетические источники антипротонов, основанные на выходе Ы и Ве на два порядка усиливают аналогичные ограничения, полученные на основе анализа перепроизводства £> и 3Яе. Найденные простые аналитические формулы, дающие хорошую аппроксимацию результатов численных расчетов, согласуются с аналогичными оценками на основе метода кинетических уравнений.

В главе четвертой на основе общей модели неравновесных процессов в ранней Вселенной формулируется модель космологического происхождения космических лучей и 7-излучения, рассматриваются космические лучи как потенциальный источник информации о гипотетических неравновесных процессах во Вселенной. Определены условия, при которых неравновесные космологические процессы могут оставить след в космических лучах и 7-излучении.

Следуя общему кинетическому подходу, в случае .НУ,- 1 процессы взаимодействия частиц с космологической плазмой оказываются несущественными, можно пренебречь вкладом столкновительных членов в правую часть

уравнения (1). Вселенная становится прозрачной для неравновесных частиц. На неравновесный спектр воздействует только космологическое красное смещение. Для неравновесных (анти-)протонов Вселенная становится прозрачной после ~ 5 • 1013с. С этого момента (анти-)протонная компонента космических лучей потенциально несет информацию о возможных источни- • ках неравновесных (анти-)протонов.

Граница просветления для 7-квантов зависит от энергии 7-квантов. После ~ 1012с. Вселенная начинает просветляться для узкого интервала энергий в районе 1 Гэв. По мере того, как космологическое время растет, энергетический интервал прозрачности Вселенной увеличивается: < Е < 1,3 • 10-12<. Соответственно, 7 компонента космических лучей в диапозоне энергий 4 • 10"в(1 + г)1'2 < Е < потенциально несет информацию о

источниках неравновесных 7-квантов начиная с красных смещений с. При t> 7 • 10нс. (г < 60) Вселенная просветляется для всех энергий 7-квантов, ниже Е7 < 7- Ю-7^3 (порог рождения электрон-позитронных пар).

Показано, что для указанных эффектов наступления прозрачности Вселенной для неравновесных 7-квантов, помимо комптоновского рассеяния и рождения пар, важную роль играет процесс 77 —77 рассеяния неравновесных фотонов на РИ, идущий во втором порядке теории возмущений. Для неравновесных электронов (позитронов) Вселенная в целом остается непро-зрочной даже сегодня. Взаимодействуя главным образом с реликтовым излучением, они вносят искажения в спектр РИ.

Далее подробно обсуждаются ПЧД, которые, в зависимости от массы, могут вносить вклад во все вышеперечисленные эффекты источников неравновесных частиц во Вселенной.

В приложении 1 приведены формулы для сечений реакций и распределения по энергиям неравновесных ядер Ю,Т,гНе, используемые при численном моделировании процессов неравновесного нуклеосинтеза, а также графики и таблицы, иллюстрирующие результаты расчетов.

В приложении 2 приведены диаграммы, иллюстрирующие результаты главы 4. В заключении приведены основные, результаты диссертации.

Основные результаты диссертации

1) Построена единая физически обоснованная модель космологических эффектов, предсказываемых теорией элементарных частиц, связанных с образованием неравновесных частиц на различных этапах эволюции Вселенной. На основе кинетического подхода проанализированы неравновес-

ные процессы но Вселенной, индуцированные гипотетическими источниками частиц высокой энергии. Выявлены основные направления их влияния на параметры стандартной модели Вселенной: искажение спектра реликтового излучения, неравновесный космологический нуклеосинтез, прямые потоки неравновесных частиц в современной Вселенной. Указаны временные (н энергетические) рамки в течение эволюции Вселенной, в которых неравновесные потоки частиц дают вклад в каждое явление.

2) Исследованы процессы неравновесного космологического нуклеосинтеза. Построена физико-математическая модель неравновесного космологического нуклеосинтеза. Указаны основные ядерные реакции и процессы в космологической плазме, формирующие неравновесный химический состав. Для каждой неравновесной частицы указан период космологического времени, н котором она участвует в процессах неравновесного нуклеосинтеза. Обсуждена роль различных процессов взаимодействия неравновесных частиц с космологической плазмой на различных этапах эволюции Вселенной.

3) Численное моделирование методом Монте-Карло неравновесного космологического нуклеосинтеза доведено до образования ядер 6 7Ы?Ве. Исследована зависимость выхода Ы,Ве от неопределенности ядерно-физических данных, сделан вывод о модельной устойчивости метода. На основании расчетоп пыходов Li.Be получены ограничения на источники антипротонов но Вс елейной, усиливающие на два порядка аналогичное ограничение, полученное на ос нове анализа перепроизводства 3Не. Получены ограничения на концентрацию гравитино и температуру разогрева Вселенной после стадии инфляции.

1) Предложена модель образования космических лучей и космического -/-»■»лучения на догалактической стадии эволюции Вселенной в процессах, обусловленных присутствием гипотетических источников неравновесных частиц в ранней Вселенной. Исследованы космические лучи как источник информации о неравновесных процессах во Вселенной. Изучены области космологической прозрачности Вселенной для различных сортов неравновесных частиц. Для 7-квантов указаны современные энергетические ннтер-п;1лы, в которых потенциально может содержаться информация о неравновесных процессах во Вселенной, начиная с определенного момента Для (апти-)протонов указана нижняя граница прозрачности Вселенной. Обсуждены неравновесные эффекты от ПЧД.

Публикации по теме диссертации

1 Filippov S.S., Khlopov M.Yu., Sedelnikov E.V. Preprint ICTP, 1С 93/193. 1993.

2 Khlopov M.Yu., Levitan Yu.L., Sedelnikov E.V., Sobol I.M. Preprint ICTP, 1С 93/191, 1993.

3 Хлопов М.Ю., Левитан КАЛ., Седельников E.B., Соболь И.М. Неравновесный космологический нуклеосинтез легких элементов. Расчеты методом Монте-Карло.ЯФ,1994,том97,К 8, с.1466-1470

4 Седельников Е.В., Филиппов С.С., Хлопов М.Ю.

Теория неравновесного космологического нуклеосинтеза. ЯФ, 1995, том 58 N 2, 88-95.

. .. jL

Е.В. Седельников 'Модель космологических проявлений совро-менных теорий элементарных частиц в неравновесных процессах во Вселенной."

Специальность 05.13.18 - теоретические основы математического моделирования,числеялью методы и комплексы программ.

Подписано в печать 17.04.95 г. Заказ № 16. Тираж 60 экз.

Отпечатано на ротапринтах в Институте прикладной математики АН