Чому Всесвіт складається з матерії, якщо Великий вибух мав створити приблизно однакову кількість матерії та антиматерії? Дві фізики запропонували нове теоретичне пояснення цієї загадки. На їхню думку, важке нейтрино, яке зазвичай залишається поза увагою дослідників, могло на певному етапі домінувати в енергетичному балансі раннього Всесвіту та вплинути на умови виникнення переваги матерії над антиматерією.
Дослідження Рішав Росан із Саутгемптонського університету та Судіпти Шоу з Індійського технологічного інституту в Канпурі опублікували у вересні в журналі Physical Review Letters. Робота ґрунтується на математичних розрахунках: ні саме важке нейтрино, ні описаний механізм поки не підтверджені спостереженнями.
Чому матерія не зникла після Великого вибуху
Згідно з відомими фізичними моделями, Великий вибух мав породити матерію та антиматерію майже в однакових кількостях. Коли частинка зустрічається зі своєю античастинкою, вони можуть анігілювати, перетворюючи свою масу на енергію. Якби їх було порівну, переважна частина обох видів речовини могла б зникнути.
Однак у Всесвіті залишився невеликий надлишок матерії. Саме з нього утворилися зорі, планети та все, що нас оточує. Фізики досі не мають остаточної відповіді, який процес створив цю асиметрію. Одна з провідних гіпотез пов’язує її з розпадом важких нейтрино в ранньому Всесвіті. Такі розпади могли породжувати трохи більше частинок матерії, ніж антиматерії. Згодом навіть невелика різниця стала визначальною для подальшої еволюції космосу.
Нейтрино, яке могло керувати розширенням Всесвіту
Звичайні нейтрино — надзвичайно легкі частинки, які дуже слабко взаємодіють із речовиною. У межах так званого механізму гойдалки, або seesaw mechanism, їм відповідають важкі нейтрино, які допомагають пояснити, чому маси звичайних нейтрино настільки малі.
У спрощених моделях часто достатньо врахувати два важкі нейтрино. Третє нерідко залишають поза розглядом, оскільки воно може бути дуже масивним і слабко взаємодіяти з іншими частинками.
Росан і Шоу припустили, що саме ця частинка могла відіграти значну космологічну роль. Спочатку, коли Всесвіт був надзвичайно гарячим, вона поводилася подібно до випромінювання. У міру розширення та охолодження космосу частинка стала рухатися повільніше й почала поводитися як звичайна матерія.
Оскільки вона розпадалася повільно, її енергія могла поступово становити дедалі більшу частку загального енергетичного балансу Всесвіту. У розрахунковому прикладі авторів маса цієї частинки приблизно у 100 трильйонів разів перевищувала масу протона. На певному етапі вона могла тимчасово домінувати над випромінюванням, впливаючи на швидкість розширення космосу.
Як це могло змінити баланс матерії та антиматерії
Дослідники розглянули, як домінування важкого нейтрино могло змінити температуру, за якої тау-лептони — масивні родичі електронів — досягають певної рівноваги з іншими частинками раннього Всесвіту.
У наведеному авторами сценарії відповідна температура знизилася приблизно з 500 мільярдів до 70 мільярдів ГеВ. В іншому варіанті розрахунків вона становила близько 42 мільярдів ГеВ. Такі зміни впливають на умови, за яких могла формуватися асиметрія між матерією та антиматерією.
За моделлю авторів, це дає змогу пояснити появу надлишку матерії за допомогою простішого набору умов, ніж у деяких інших сценаріях. Пізніше розпад важкого нейтрино вивільнив би додаткове випромінювання, розбавивши вже сформований надлишок матерії. Водночас ці цифри є прикладами з теоретичного розрахунку, а не результатами вимірювань. Вони демонструють можливий механізм, але не доводять, що ранній Всесвіт справді розвивався саме так.
Як перевірити гіпотезу
Модель пов’язує час життя важкого нейтрино, тривалість його домінування та масу найлегшого зі звичайних нейтрино. На основі цих залежностей автори отримали прогноз: маса найлегшого нейтрино може бути надзвичайно малою — приблизно від однієї трильйонної до однієї стотрильйонної електронвольта. Майбутні вимірювання, зокрема в експериментах KATRIN у Німеччині та Project 8, можуть допомогти перевірити цю оцінку або звузити діапазон можливих значень.
Інший шлях — пошук гравітаційних хвиль. Якщо важке нейтрино справді спричинило період домінування матерії, це могло залишити характерний перелом у спектрі первинного гравітаційно-хвильового сигналу, пов’язаного з космічними струнами. Серед майбутніх інструментів, які потенційно зможуть досліджувати подібні сигнали, автори називають космічну місію LISA, радіотелескоп SKA, DECIGO та Einstein Telescope.
Поки що жоден із цих можливих сигналів не підтверджений як свідчення існування важкого нейтрино. Подальші спостереження та вимірювання маси звичайних нейтрино допоможуть з’ясувати, чи відповідає запропонований сценарій реальній історії Всесвіту.
Головна ідея дослідження полягає в тому, що навіть частинка, яку часто вважають другорядною для певної моделі, могла мати значний вплив на еволюцію космосу. Якщо розрахунки підтвердяться, вони можуть допомогти пояснити одну з фундаментальних загадок фізики — чому після Великого вибуху матерія не зникла разом з антиматерією.
