Сложная проблема асимметрии материи может быть решена путем расширения физики

Предположим, вы столкнули два нейтрона на околосветовой скорости. В результате столкновения возникнет каскад частиц: от протонов, электронов и нейтрино до более экзотических частиц. Мы не можем предсказать точное количество и тип образовавшихся частиц, но знаем одно: суммарный заряд всех частиц будет равен нулю. Это связано с тем, что заряд — сохраняющаяся величина, и поскольку нейтроны имеют нулевой суммарный заряд, результирующие частицы должны иметь такой же заряд.

Электрический заряд (С) — лишь одна из неотъемлемых симметрий, управляющих физикой элементарных частиц. Другими симметриями являются чётность (P), или хандальность, и время (T). Эти симметрии можно объединить, чтобы создать CP-симметрию, PT-симметрию или CPT-симметрию. Одним из следствий этого является то, что в совокупности эти симметрии требуют симметрии между материей и антиматерией. При наличии достаточной энергии можно создать отрицательно заряженный электрон, но только при условии создания положительно заряженного позитрона. Симметрия — мощный инструмент в физике, но она порождает глубокую тайну.

Стандартная космологическая модель утверждает, что материя возникла из плотной энергии Большого взрыва. Согласно законам симметрии, материя и антиматерия появились в равных количествах, но когда мы смотрим на Вселенную, она состоит из материи. Нет галактик из антиматерии или облаков антиводорода, струящихся по космосу. Есть только обычная материя, из которой состоим мы с вами. Эта загадка известна как проблема асимметрии материи.

Одно из возможных решений этой проблемы — ввести асимметрию в распад частиц. Оказывается, что единственная действительно важная симметрия для космологии — это CPT-симметрия. Если CPT нарушается, то нарушается и лоренц-инвариантность, что означает нарушение специальной и общей теорий относительности и воцарение хаоса. Но в редких случаях могут нарушаться и другие симметрии. Мы знаем, например, что слабое взаимодействие может нарушать CP-симметрию. Если бы PT также могла нарушаться, то заряд не сохранялся бы идеально. Однако, похоже, ничто в стандартной модели физики элементарных частиц не допускает нарушения PT.

Итак, в новой работе рассматривается расширенная модель физики элементарных частиц и то, как расширенные симметрии могут создавать асимметрию материи. Авторы рассматривают две конкретные симметрии. Первая — симметрия Печчеи-Куинна (PQ), основанная на гипотетических частицах, известных как аксионы. Аксионы также часто рассматриваются как частицы тёмной материи. Вторая — симметрия барионного числа минус лептонное число (BL). Протоны и нейтроны — это барионы, а электроны и нейтрино — лептоны. В стандартной физике барионное и лептонное числа сохраняются, но некоторые модели предполагают существование тяжёлых «стерильных» нейтрино, которые распадаются на более лёгкие частицы.

Вместо того, чтобы рассматривать конкретные расширенные модели, команда фокусируется на симметриях и их следствиях. Они обнаружили, что симметрии PQ и BL допускают образование солитонных узлов в энергетических полях. Эти узлы могут действовать как своего рода псевдочастицы, которые могут инициировать асимметричный распад на большее количество частиц материи, чем антиматерии. Другими словами, эти узлы могли образоваться в самые ранние моменты Большого взрыва, что позволило материи формироваться гораздо быстрее, чем антиматерии. Команда также обнаружила, что наличие этих узлов в ранней Вселенной оставило бы гравитационный отпечаток. В принципе, гравитационно-волновой сигнал мог бы подтвердить существование этих узлов, хотя это выходит далеко за рамки современных возможностей гравитационно-волновой астрономии.

Хотя исследование не является окончательным, оно представляет собой интересный подход к проблеме асимметрии материи. Сейчас это своего рода Гордиев узел космологии, так что, возможно, для его разрешения потребуется новый тип узла.