Чому Всесвіт складається з матерії, а не з порожнечі? Це одне з фундаментальних запитань сучасної фізики. Згідно з уявленнями науковців, після Великого вибуху мали утворитися майже однакові кількості матерії та антиматерії. Коли їхні частинки зустрічаються, вони анігілюють, перетворюючись на енергію. Якби їх було порівну, майже вся матерія могла б зникнути, і не залишилося б речовини для утворення зір, планет і життя.
Дослідники з Університету Саутгемптона та Індійського технологічного інституту Канпур запропонували можливе пояснення того, як матерія отримала перевагу. У центрі їхньої теорії — гіпотетична важка частинка, споріднена з нейтрино. За розрахунками команди, вона могла впливати на еволюцію раннього Всесвіту значно сильніше, ніж припускали раніше. Результати дослідження опублікували в журналі Physical Review Letters.
Важкий нейтрино, який міг змінити ранній Всесвіт
Нейтрино — надзвичайно легкі елементарні частинки, які дуже слабко взаємодіють зі звичайною матерією. Саме тому їх складно виявляти. У новій роботі науковці зосередилися на гіпотетичному важкому нейтрино, яке майже не взаємодіє з іншими частинками. Через цю особливість його називають відокремленим, або decoupled.
Раніше вважалося, що така частинка навряд чи могла істотно вплинути на розвиток раннього Всесвіту. Проте автори дослідження звернули увагу на іншу її властивість: вона могла розпадатися надзвичайно повільно.
За розрахунками команди, частинка могла зберігатися достатньо довго, щоб у певний момент стати головним внеском в енергетичну густину Всесвіту. Це означало б тимчасову зміну характеру його еволюції — перехід до періоду, коли енергетична густина визначалася переважно цією частинкою. На думку авторів, така зміна могла вплинути на умови, за яких формувалася перевага матерії над антиматерією.
Як частинка могла вплинути на баланс матерії та антиматерії
Після Великого вибуху матерія й антиматерія мали взаємно знищуватися під час анігіляції. Однак у спостережуваному Всесвіті залишилася невелика кількість матерії. Саме ця різниця, яку фізики називають асиметрією матерії та антиматерії, дала змогу згодом сформуватися всім відомим космічним структурам.
Дослідники припускають, що важкий нейтрино міг змінити температуру, за якої фундаментальні частинки, зокрема електрони та інші лептони, взаємодіяли зі своїми античастинками за участю бозона Гіггса.
Бозон Гіггса пов’язаний із механізмом, завдяки якому багато елементарних частинок набувають маси. У запропонованому сценарії важкий нейтрино міг змінити температурні умови таких взаємодій. Це, своєю чергою, могло вплинути на формування дисбалансу між матерією та антиматерією.
Отже, частинка, яку раніше вважали майже неважливою для космологічних процесів, могла опосередковано відіграти роль у тому, чому матерія не зникла повністю.
Чи можна знайти сліди цієї частинки у гравітаційних хвилях
Запропонована теорія цікава ще й тим, що передбачає можливі спостережувані наслідки. Тимчасове домінування важкого нейтрино могло змінити історію розширення раннього Всесвіту. За словами співавтора дослідження Судіпти Шоу з Індійського технологічного інституту Канпур, такі зміни могли залишити характерні сліди в первинних гравітаційних хвилях.
Гравітаційні хвилі — це коливання простору-часу, які поширюються Всесвітом. Якщо деякі з них виникли в найдавніші моменти його існування, їхні сигнали можуть зберігати інформацію про тодішні фізичні процеси.
Науковці припускають, що зміни в розширенні раннього Всесвіту могли сформувати особливі характеристики таких хвиль. Якщо в майбутньому вдасться виявити відповідні сигнали, це допоможе перевірити запропонований сценарій.
Поки що йдеться про теоретичну модель, а не про підтверджене пояснення походження переваги матерії. Проте вона відкриває новий напрям для досліджень однієї з найбільших загадок космології: чому після Великого вибуху Всесвіт не залишився майже порожнім, а зберіг матерію, з якої зрештою утворилося все навколо нас.