Физики предлагают новое объяснение того, почему материя пережила Большой взрыв

Фото из открытых источников

Тяжелый нейтрино, который физики обычно игнорируют, возможно, на короткое время доминировал в ранней Вселенной и сместил баланс материи над антиматерией. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters .

Всё, к чему мы можем прикоснуться, состоит из материи. По обычным правилам, этого не должно было произойти, потому что Большой взрыв должен был образовать равное количество материи и антиматерии, которые уничтожают друг друга при контакте. Что-то нарушило баланс.

Теперь физики утверждают, что частица, которую их собственная область науки игнорировала десятилетиями, может быть одной из причин.

Эта частица является более тяжёлым аналогом нейтрино, так называемой «частицы-призрака», которая входит в число самых лёгких известных частиц. Стандартная теория массы нейтрино включает три таких тяжёлых аналога. Два из них выполняют всю работу, а третий обычно считается слишком тяжёлым и слишком слабо взаимодействующим, чтобы иметь значение.

Согласно новым расчетам, этот третий объект мог на короткое время содержать большую часть энергии ранней Вселенной. При этом он повлиял на температуру, которая определяет, как накапливался избыток материи.

Эта работа представляет собой расчет, и в ней ничего не обнаружено. Авторы: Ришав Рошан из Университета Саутгемптона и Судипта Шоу из Индийского технологического института.

«Эта малоизученная частица, известная как тяжелый нейтрино, сыграла решающую роль в формировании ранней Вселенной. Хотя она мало взаимодействует с другими частицами, ее влияние было достаточно велико, чтобы временно доминировать в энергетической системе Вселенной», — сказал Рошан.

Физики видят, что материя победила, потому что мы существуем. Они пока не могут сказать, как именно. Одна из ведущих теорий заключается в том, что тяжелые нейтрино, распадающиеся в ранней Вселенной, произвели немного больше частиц, чем античастиц, и этот небольшой избыток и есть материя вокруг нас.

Теория происхождения этих тяжелых нейтрино, механизм «качелей», объясняет, почему обычные нейтрино имеют такие малые массы. Двух тяжелых нейтрино достаточно, чтобы соответствовать всем измерениям обычных нейтрино, поэтому в большинстве исследований третье нейтрино не учитывается.

«Сам факт нашего присутствия здесь доказывает, что между материей и антиматерией существовала асимметрия», — сказал Рошан.

Рошан объяснил, что третье тяжелое нейтрино образовалось, когда Вселенная была намного горячее, чем энергия, заключенная в ее массе, поэтому оно вело себя как излучение. По мере расширения и охлаждения Вселенной ниже этой энергии частица перестала двигаться со скоростью, близкой к скорости света, и с тех пор вела себя как материя. Поскольку она почти ни с чем не взаимодействует, ее распад происходит очень медленно.

В этом и заключается суть медленного распада. По мере расширения пространства материя разжижается медленнее, чем излучение, поэтому тяжелая частица, существующая достаточно долго, может вместить большую часть энергии Вселенной. В разработанном командой примере эта частица весит примерно в 100 триллионов раз больше протона, и она контролировала скорость расширения Вселенной до момента своего окончательного распада.

Два автора статьи использовали эту установку для отслеживания энергии излучения и тяжелых нейтрино по мере роста Вселенной. Доля тяжелых нейтрино возрастала и доминировала в течение некоторого времени, а затем, распадаясь, пала до нуля.

Ранняя Вселенная представляла собой плотную, горячую смесь частиц. При определенных температурах бозон Хиггса приводил каждый тип заряженных частиц в равновесие с остальными частицами этой смеси. Для тау-белка, более тяжелого родственника электрона, это равновесие обычно достигается при температуре около 500 миллиардов ГэВ — единице энергии, которую физики используют для обозначения температуры в таких экстремальных условиях.

Поскольку расширение контролируется тяжелыми нейтрино, команда подсчитала, что точка равновесия тау-частицы упала примерно до 70 миллиардов ГэВ. В одной из версий она упала до 42 миллиардов ГэВ, что составляет примерно десятую часть обычного значения. Рошан назвал эту температуру переключателем, определяющим способ формирования дисбаланса материи и антиматерии.

Изменение порядка применения расчетов меняет сам процесс. В примере, приведенном командой, более легкий тяжелый нейтрино с массой 100 миллиардов ГэВ мог бы произвести избыток материи по более простым правилам, чем те, которые потребовались бы физикам в противном случае. Позднее распад третьего нейтрино затем высвободил дополнительное излучение во Вселенную, что уменьшило этот избыток.

«Это даёт нам новое объяснение тому, как материя одержала победу», — сказал Шоу.

То же самое слабое взаимодействие определяет время жизни частицы, продолжительность её доминирования и массу самого лёгкого обычного нейтрино. Таким образом, эта идея позволяет сделать предсказание: самый лёгкий нейтрино должен весить где-то от триллионной до стотриллионной доли электронвольта. Эксперименты, такие как KATRIN в Германии и Project 8, могли бы исключить это предположение, если бы достигли этого диапазона.

Говоря о том, можно ли проверить эту идею с помощью детекторов гравитационных волн, Рошан ответил утвердительно. Период, когда материя доминировала в ранней Вселенной, оставил бы разрыв в фоновых рябьх в пространстве-времени, созданных космическими струнами. Этот разрыв находился бы на частоте, определяемой массой тяжелого нейтрино.

В будущем подобные прорывы могут быть обнаружены с помощью новых инструментов, сообщил Рошан. Он назвал радиотелескоп SKA, космическую миссию LISA, DECIGO и телескоп Эйнштейна в качестве возможных инструментов. По его словам, некоторые из них, как ожидается, начнут работу в течение следующих нескольких лет.

«В случае успеха они смогут уловить сигналы, связанные с воздействием тяжелых нейтрино на раннюю Вселенную», — сказал он.

Здесь ничего не наблюдалось. В статье не приводятся подробные экспериментальные данные, а приведенные примеры были выбраны для иллюстрации эффекта. Сами по себе тяжелые нейтрино предсказываются теорией, но не наблюдались.

Рошан сказал, что главный урок заключается в том, что физики предпочитают игнорировать.

«Это подчеркивает, что даже частицы, которые мы считаем незначительными, могут играть важную роль в космических событиях», — сказал он.

Масса самого лёгкого нейтрино ещё не измерена, и это единственное число позволило бы определить, насколько обоснована эта картина существования Вселенной. Детекторы, способные обнаружить этот разрыв, ещё появятся, некоторые из них — в течение нескольких лет.