2526
Майже забуте елементарне частинка може виявитися ключем до відповіді на одне з найглибших питань фізики: чому після Великого вибуху вижила матерія і чому Всесвіт взагалі існує. На це вказує нова теоретична робота дослідників з Університету Саутгемптона та Індійського технологічного інституту Канпура, про яку розповідає ScienceDaily.
Науковці пропонують, що малодосліджений різновид нейтрино міг суттєво вплинути на еволюцію раннього космосу, створивши умови, за яких матерія отримала невелику, але вирішальну перевагу над антиматерією.
Чому взагалі існує матерія
За сучасними уявленнями, у перші миті після Великого вибуху матерія й антиматерія народжувалися майже в однакових кількостях. Коли частинка зустрічається зі своєю античастинкою, вони знищують одна одну, перетворюючись на енергію. Якби їх було строго порівну, майже вся матерія зникла б, і не залишилося б нічого для формування зірок, планет і життя.
Однак ми існуємо, а отже, у ранньому Всесвіті виникла асиметрія матерії й антиматерії — дуже невеликий надлишок звичайної матерії. Звідки він узявся, залишається однією з головних загадок космології та фізики елементарних частинок.
Нове дослідження пропонує розв’язок, у якому центральну роль відіграє особливий тип нейтрино — надзвичайно легких частинок, що майже не взаємодіють зі звичайною речовиною.
«Від’єднане» важке нейтрино і його довге життя
Команда зосередилася на гіпотетичній частинці, яку вони називають «від’єднаним» важким нейтрино. На відміну від звичайних нейтрино, це важче родичне нейтрино взаємодіє з іншими частинками настільки слабко, що тривалий час вважалося майже неважливим для космології.
Розрахунки показали інше: через надзвичайно довгий час життя таке нейтрино могло пережити найгарячіші етапи після Великого вибуху і на певний період тимчасово домінувати в енергетичній щільності Всесвіту, коли той охолоджувався.
Цей короткий, але впливовий період «панування» важкого нейтрино, за версією авторів, змінив хід еволюції раннього космосу та умови, за яких формувалася асиметрія між матерією й антиматерією.
Співавтор роботи доктор Рішав Рошан (Rishav Roshan) з Університету Саутгемптона пояснює, що таке нейтрино раніше відкидали як «несуттєвий фон» у фізиці частинок, але його надзвичайно повільний розпад означає, що воно могло тимчасово взяти на себе основну частку енергії Всесвіту.
Результати опубліковано в журналі Physical Review Letters Американського фізичного товариства.
Як частинка змінює баланс матерії й антиматерії
Попередні моделі, які намагалися пояснити перевагу матерії, зазвичай ігнорували від’єднане важке нейтрино саме через його слабкі взаємодії. Вважалося, що воно не може суттєво вплинути на процеси, які створюють асиметрію.
Нова робота ставить це припущення під сумнів. Автори показують, що навіть частинка з надзвичайно слабкими взаємодіями може опосередковано змінити умови, за яких матерія отримує перевагу над антиматерією.
Ключовим є те, що важке нейтрино змінює температуру в ранньому Всесвіті, при якій фундаментальні частинки — електрони та інші лептони — взаємодіють зі своїми античастинками за участі бозона Гіггса Стандартної моделі.
Ця температура, за словами дослідників, працює як «перемикач», який визначає, як саме нарощується дисбаланс між матерією й антиматерією. Якщо від’єднане нейтрино змінює момент, коли ці взаємодії «вмикаються» і «вимикаються», воно тим самим впливає на кінцеву величину асиметрії.
Бозон Гіггса — це фундаментальна частинка, пов’язана з механізмом, що надає масу багатьом іншим елементарним частинкам. У запропонованому сценарії важке нейтрино несе відповідальність за зміну температурних умов, у яких відбуваються важливі процеси за участі бозона Гіггса, і тим самим опосередковано визначає, скільки матерії залишиться після взаємного знищення з антиматерією.
Сліди в давніх гравітаційних хвилях
Наслідки цієї теорії виходять за межі питання про походження матерії. Співавтор дослідження доктор Судіпта Шоу (Sudipta Show) з Індійського технологічного інституту Канпура зазначає, що забуте нейтрино могло суттєво змінити історію розширення молодого Всесвіту.
За його словами, такий різкий зсув у темпах розширення залишає виразні відбитки на первинних гравітаційних хвилях — коливаннях простору-часу, що виникли в найраніші моменти після Великого вибуху.
Ці «древні» гравітаційні хвилі, якщо їх вдасться зафіксувати, можуть нести інформацію про умови в той період, коли важке нейтрино тимчасово домінувало в енергії Всесвіту. За новою теорією, саме тоді формувалися характерні сигнатури в спектрі гравітаційних хвиль.
Виявлення таких особливих патернів у майбутніх експериментах могло б дати змогу перевірити, чи справді запропонована частинка вплинула на найранішу еволюцію космосу.
Поки що лише теорія, але з перевірними наслідками
Наразі це пояснення залишається теоретичною пропозицією, заснованою на розрахунках і моделях. Воно не доводить остаточно, чому матерія перемогла антиматерію, але пропонує новий механізм, який можна перевірити спостереженнями.
Якщо майбутні дослідження гравітаційних хвиль або інші космологічні спостереження виявлять сліди, що відповідають сценарію з від’єднаним важким нейтрино, це стане важливим кроком до розв’язання однієї з найглибших загадок космології: чому зі зіткнення матерії й антиматерії не вийшов порожній Всесвіт.
Забуте важке нейтрино могло врятувати матерію після Великого вибуху з’явилася спочатку на Цікавості.
