Трещины в ткани пространства-времени объясняют, почему существует Вселенная

Фото из открытых источников

Идея, отброшенная более века назад лордом Кельвином, когда он представил себе атомы как узлы в эфире, вновь всплыла в центре новой теории, которая пытается объяснить, почему Вселенная состоит из материи, а не из ее призрачного аналога — антиматерии.

Японские физики впервые продемонстрировали, что нотоидные структуры — стабильные узлы — могут естественным образом формироваться в реалистичных рамках физики элементарных частиц, и что их кратковременное доминирование в ранней Вселенной могло стать решающим событием, изменившим космический баланс.

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, постулирует существование короткой, но решающей «эры доминирования узлов» – периода, возникшего в период турбулентности, последовавшей за Большим взрывом, когда энергия этих запутанных структур превосходила всё остальное. Их коллапс посредством квантового процесса мог бы породить поток частиц, которые распались с небольшим предпочтением к материи, зародив избыток, из которого состоят все видимые вещи. Более того, этот сценарий оставляет потенциально обнаружимый след: специфическое искажение фона гравитационных волн, которое могут обнаружить будущие обсерватории.

«Это исследование посвящено одной из самых фундаментальных загадок физики: почему наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии», — заявил Мунето Нитта, профессор Международного исследовательского центра науки и метаузловой хиральности (WPI-SKCM2) при Хиросимском университете и один из авторов исследования. Этот вопрос важен, поскольку он напрямую затрагивает причину существования звёзд, галактик и нас самих.

Физика утверждает, что Большой взрыв должен был породить одинаковое количество материи и антиматерии. Поскольку они аннигилируют при контакте, космос должен был превратиться в море чистого излучения без каких-либо твёрдых остатков. Однако наблюдаемая Вселенная в основном состоит из материи. Космологические расчёты показывают, что все современные материальные структуры — от простейших атомов до галактик — существуют благодаря тому, что на каждый миллиард пар материя-антиматерия, аннигилировавших друг с другом, выживает одна дополнительная частица материи.

Стандартная модель физики элементарных частиц, несмотря на её точность предсказаний в других областях, не способна объяснить этот дисбаланс. Её предсказания о возникновении избытка материи — процесса, известного как бариогенез, — не оправдываются на несколько порядков. Объяснение происхождения этого ничтожно малого избытка материи остаётся одной из самых глубоких нерешённых проблем в науке.

Группа исследователей, в которую входят Нитта, Минору Это (также из Университета Хиросимы и Университета Ямагаты) и Ю Хамада из Немецкого электронного синхротрона в Германии, считает, что им удалось найти решение путем интеграции двух теоретических расширений Стандартной модели, которые долгое время изучались по отдельности: симметрии барионного числа минус лептонного числа (BL) и симметрии Печчеи-Куинна (PQ).

Симметрия Печчеи-Куинна разрешает так называемую «сильную CP-проблему» – загадку, объясняющую, почему нейтрон не проявляет заметного электрического дипольного момента, и, как побочный продукт, предсказывает существование аксиона – частицы-кандидата в тёмную материю. С другой стороны, симметрия БЛ объясняет, почему нейтрино, невидимые частицы, проходящие сквозь обычную материю практически без взаимодействия, обладают крошечной, но ненулевой массой.

Инновация команды заключалась в определённом объединении этих двух симметрий: они сохранили PQ-симметрию как глобальную, сохраняя аксионную физику, но «измерили» BL-симметрию, превратив её в локальную силу. Этот акт измерения естественным образом вводит в теорию существование тяжёлых правых нейтрино, частиц, играющих ключевую роль во многих моделях бариогенезиса, и порождает сверхпроводящее поведение, которое обеспечивает магнитную основу, необходимую для образования стабильных узлов.

Согласно этой теории, по мере расширения и охлаждения Вселенной после Большого взрыва она претерпела ряд фазовых переходов, аналогичных замерзанию воды. Эти переходы, происходящие нерегулярно, могли оставить после себя одномерные топологические дефекты: космические струны. Это гипотетические трещины в ткани пространства-времени, субатомно тонкие, но чрезвычайно плотные.

В предлагаемой модели нарушение симметрии BL порождает струны магнитных трубок, в то время как симметрия PQ порождает сверхтекучие вихри без потока. Ключевым моментом является их контрастность и связанность. Магнитная трубка BL образует структуру, к которой сверхтекучий вихрь PQ может прикрепляться посредством связи Черна-Саймонса. В свою очередь, эта связь позволяет вихрю перекачивать заряд в магнитную трубку, противодействуя натяжению, которое в обычных условиях привело бы к коллапсу структуры. В результате получается стабильная и топологически заблокированная конфигурация: солитон узла.

Нитта рассказал, что никто ранее не изучал эти две симметрии вместе. Это было для нас удачей. Их объединение позволило получить устойчивый узел.

Во время расширения космоса энергия излучения рассеивалась быстрее, чем энергия структур, ведущих себя подобно материи. Узлы, с их медленным угасанием энергии, вскоре превзошли по плотности всё остальное, положив начало эпохе их доминирования. Однако их стабильность была метастабильной. В конце концов, узлы распутались благодаря эффекту квантового туннелирования – явлению, при котором частица или система преодолевает энергетический барьер, не имея достаточной энергии для классического преодоления этого барьера.

Этот катастрофический коллапс произошёл как гигантский ливень частиц. Среди продуктов этого распада выделялось образование тяжёлых правополяризованных нейтрино – прямого следствия симметрии BL, интегрированной в узел. Эти тяжёлые нейтрино, будучи нестабильными, практически сразу распадались на более лёгкие и стабильные частицы, но с едва заметной асимметрией: в результате их распада образовывалось немного больше материи, чем антиматерии.

По сути, этот коллапс порождает огромное количество частиц, включая правополяризованные нейтрино, скалярные бозоны и калибровочные бозоны, подобно дождю, пояснил Хамада. Среди них правополяризованные нейтрино особенны, поскольку их распад может естественным образом создавать дисбаланс между материей и антиматерией. Эти тяжёлые нейтрино распадаются на более лёгкие частицы, такие как электроны и фотоны, создавая вторичный каскад, который вновь разогрел Вселенную.

В этом смысле, добавил он, они являются родителями всей материи в современной Вселенной, включая наши собственные тела, в то время как узлы можно считать нашими бабушками и дедушками.

Когда исследователи проследили математические основы своей модели — эффективность образования нейтрино, их массы и температуру повторного нагрева космоса после их распада — дисбаланс материи и антиматерии, который мы наблюдаем сегодня, естественным образом возник из уравнений. Вводя реалистичную массу тяжёлых нейтрино в 10¹² гигаэлектронвольт (ГэВ), модель даёт температуру повторного нагрева 100 ГэВ. Эта температура важна, поскольку она отмечает нижний предел, при котором электрослабые реакции, необходимые для преобразования избытка нейтрино в избыток барионов, остаются активными.

Этот повторный нагрев при 100 ГэВ также переписал бы симфонию первичных гравитационных волн, сместив их спектр в сторону более высоких частот. Обсерватории следующего поколения, такие как Лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) в Европе, Cosmic Explorer в США и Децигерцовая интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (DECIGO) в Японии, предназначены для прослушивания в этом диапазоне частот, что делает эту теорию одним из немногих объяснений асимметрии материи-антиматерии, предлагающих чёткий экспериментальный путь для её подтверждения или опровержения.

Космические струны — это тип топологических солитонов, объектов, определяемых величинами, которые остаются неизменными независимо от степени их скручивания или растяжения, сказал Это. Это свойство не только обеспечивает их устойчивость, но и означает, что наш результат не привязан к конкретным деталям модели. Хотя работа всё ещё теоретическая, базовая топология не меняется, поэтому мы рассматриваем это как важный шаг к будущим исследованиям.

В то время как лорд Кельвин рассматривал узлы как строительные блоки материи, исследователи утверждают, что их результаты впервые предоставляют реалистичную модель физики частиц, в которой узлы могли играть решающую роль в происхождении материи.

Следующим шагом станет уточнение теоретических моделей и симуляций для более точного прогнозирования образования и распада этих узлов и связывания их характеристик с наблюдаемыми сигналами, заключил Нитта. В частности, предстоящие эксперименты по исследованию гравитационных волн, такие как LISA, Cosmic Explorer и DECIGO, позволят проверить, действительно ли Вселенная прошла через эпоху доминирования узлов.

Команда надеется выяснить, были ли эти узлы, являющиеся пережитком идеи XIX века, важны для нашего происхождения, и таким образом сплести более полную историю о самом зарождении космоса.