У новій роботі, опублікованій у журналі Physical Review Letters і описаній на ScienceAlert, фізики пропонують пояснення того, чому після Великого вибуху у Всесвіті залишилася матерія. На їхню думку, ключову роль міг зіграти гіпотетичний «примарний» компонент — стерильне нейтрино, яке майже не взаємодіє з іншими частинками.
Проблема балансу матерії та антиматерії
За сучасними уявленнями, Великий вибух мав створити однакові кількості матерії та антиматерії. У такому разі частинки й античастинки знищили б одна одну, залишивши лише випромінювання й порожній простір. Однак у ранньому Всесвіті виникла крихітна нерівновага, завдяки якій матерії стало трохи більше.
Саме ця надлишкова матерія згодом утворила галактики, зорі, планети й усе, з чого складаємося ми. Звідки взялася така асиметрія, залишається однією з головних загадок космології.
Стерильне нейтрино як «забутий» гравець
Автори дослідження, Рішав Рошан (Rishav Roshan) з Університету Саутгемптона та Судіпта Шоу (Sudipta Show) з Індійського технологічного інституту Канпура, за допомогою теоретичних моделей і розрахунків показали, як особливий тип стерильного нейтрино міг створити цю нерівновагу.
Стерильне нейтрино так називають тому, що воно «ігнорує» майже всі відомі взаємодії: на нього діє лише гравітація та надзвичайно слабкий вплив бозона Гіґґса. Рошан зазначає, що таке важке нейтрино довго вважали неважливою деталлю в теоріях елементарних частинок.
Однак, за їхніми розрахунками, це важке стерильне нейтрино розпадається настільки повільно, що в охолоджуваному після Великого вибуху Всесвіті воно встигло тимчасово «захопити» на себе основну частину енергетичної густини. Це призвело до короткого періоду, коли еволюцією космосу керувала саме матерія, а не випромінювання.
Нейтрино, їхня маса та «гойдалка»
Звичайні нейтрино, яких відомо три типи, самі по собі дуже загадкові. Вони електрично нейтральні, мають крихітну масу й майже не взаємодіють з речовиною. Через це сотні мільярдів нейтрино щосекунди пролітають крізь наше тіло, не залишаючи сліду.
За оцінками CERN, нейтрино з масою переважають інші частинки на 10 порядків, тобто в 10 мільярдів разів. Водночас вони надзвичайно легкі: принаймні в мільйон разів легші за електрон. Це пов’язано з так званим юкавівським (Yukawa) зв’язком — мірою того, як частинка взаємодіє з полем Гіґґса, яке надає масу.
Електрон має невеликий юкавівський зв’язок, тому й маса в нього невелика. Для нейтрино цей зв’язок мав би бути ще на порядки меншим, що виглядає дуже неприродно. Одна з ідей полягає в тому, що до звичайних нейтрино «приєднані» стерильні нейтрино, які розширюють Стандартну модель фізики частинок.
У цьому контексті фізики використовують аналогію «механізму гойдалки» (seesaw mechanism): звичайні нейтрино такі легкі саме тому, що їхні стерильні «побратими» надзвичайно важкі. Чим важчі стерильні нейтрино, тим легшими виходять звичайні — наче два кінці гойдалки.
«Від’єднане» нейтрино та народження асиметрії
Рошан і Шоу розглядають ще один, третій тип стерильного нейтрино — так зване «від’єднане» (decoupled) нейтрино, яке майже не бере участі в механізмі гойдалки. Через надзвичайно слабкий зв’язок воно розпадається ще повільніше, ніж інші стерильні нейтрино.
За словами Рошана, це від’єднане нейтрино змінило температуру в ранньому Всесвіті, за якої фундаментальні частинки — електрони та інші лептони — взаємодіяли зі своїми античастинками за участі бозона Гіґґса. Ця «критична» температура працює як перемикач, що визначає, як саме формується дисбаланс між матерією та антиматерією.
Інші, більш «зв’язані» стерильні нейтрино розпадалися швидше, породжуючи лептони, зокрема електрони. Ці розпади, згідно з моделлю, трохи «обділяли» античастинки, створюючи ледь помітний надлишок частинок матерії.
Те, що від’єднане стерильне нейтрино існувало довше, тимчасово порушило енергетичний баланс раннього космосу, змістивши його в бік матерії. Це вплинуло на температуру та швидкість розширення Всесвіту, доки нейтрино повністю не розпалося. Надлишкові частинки матерії, що залишилися, згодом утворили галактики та інші космічні структури.
Від лептонів до протонів і гравітаційних хвиль
Після цього, за розрахунками авторів, у «квантовому супі» охолоджуваного Всесвіту відбувся дивний процес, відомий як сфалерон (sphaleron). Він перетворив частину надлишку лептонів (таких як електрони) на відповідний надлишок кварків.
Кварки злиплися в протони й нейтрони, які разом із електронами сформували звичайну матерію. Таким чином, один і той самий механізм міг пояснити і малі маси нейтрино, і перевагу матерії над антиматерією.
Модель Рошана та Шоу також дає оцінку маси найлегшого нейтрино. Це робить її перевірюваною: експерименти з фізики частинок, які зможуть виміряти або обмежити цю масу, допоможуть з’ясувати, чи могли стерильні нейтрино в такій формі існувати в ранньому Всесвіті.
Судіпта Шоу підкреслює, що їхня робота пропонує нове пояснення того, як «перемогла» матерія. Різка зміна режиму розширення раннього космосу, спричинена від’єднаним нейтрино, мала б залишити помітні сліди, зокрема в спектрі первинних гравітаційних хвиль.
Як шукати сліди давно зниклої частинки
Саме стерильне нейтрино, описане в роботі, має бути вже давно зниклим, а звичайні нейтрино й сьогодні залишаються майже невловимими. Тому пряме спостереження цієї частинки навряд чи можливе.
Натомість фізики сподіваються виявити її колишній вплив на «буквальні зморшки» простору-часу — гравітаційні хвилі, що поширюються з моменту народження Всесвіту. Для цього потрібні обсерваторії нового покоління, наприклад космічна місія LISA — гігантський трикутник з лазерних променів між трьома апаратами, рознесеними на 2,5 мільйона кілометрів.
Як підсумовує Шоу, такі гравітаційно-хвильові сигнатури відкривають нові можливості для вивчення еволюції раннього Всесвіту після Великого вибуху. Якщо ці сліди буде знайдено, виявиться, що ми всі — результат дії «примари примари» з найдавніших епох космосу.