Забытая частица может объяснить, почему мы существуем
Гипотетическое тяжелое нейтрино могло сыграть важную роль в появлении избытка материи над антиматерией в ранней Вселенной. К такому выводу пришли исследователи из Саутгемптонского университета и Индийского технологического института в Канпуре. Согласно их расчетам, частица, которую прежде считали практически несущественной, могла на короткое время изменить ход расширения молодого космоса. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters Американского физического общества.
Исследование посвящено одной из главных загадок физики: почему во Вселенной вообще осталась материя. Ученые полагают, что в первые мгновения после Большого взрыва материя и антиматерия возникли почти в равных количествах. При встрече частицы и античастицы аннигилируют, высвобождая энергию. Если бы их число было совершенно одинаковым, почти вся материя могла бы исчезнуть, не оставив материала для звезд, планет и жизни.
Однако небольшое преимущество материи позволило определенному количеству частиц сохраниться. Что именно создало этот перевес, физики до сих пор не знают. Новое исследование предлагает возможный ответ, связанный с малоизученным родственником нейтрино — очень легкой частицы, которая редко взаимодействует с обычным веществом.
Забытая частица в ранней Вселенной
Авторы сосредоточились на так называемом развязанном тяжелом нейтрино. Это гипотетическая частица, которая взаимодействует с другими частицами настолько слабо, что ее обычно не считали способной существенно повлиять на развитие Вселенной.
Но расчеты показали, что важным могло оказаться другое ее свойство: чрезвычайно долгий срок жизни. По мере остывания Вселенной после Большого взрыва тяжелое нейтрино могло сохраняться достаточно долго, чтобы временно стать основным источником плотности энергии космоса. Такой период преобладания материи изменил бы условия эволюции ранней Вселенной.
«Это развязанное тяжелое нейтрино долго считалось несущественной фоновой деталью в физике частиц, — объяснил доктор Ришав Рошан из Саутгемптонского университета. — Однако оно распадается невероятно медленно».
По его словам, именно это позволило бы частице на время занять главную роль в энергетическом балансе Вселенной.
Как мог возникнуть перевес материи
В прежних попытках объяснить преобладание материи над антиматерией развязанное тяжелое нейтрино, как правило, не учитывали. Из-за слабого взаимодействия с другими частицами предполагалось, что оно почти не влияет на процессы, создающие этот дисбаланс.
Новая работа оспаривает такое представление. Даже очень слабо взаимодействующая частица, согласно расчетам, могла косвенно изменить условия, при которых возникала асимметрия материи и антиматерии.
«Сам факт нашего существования доказывает, что асимметрия между материей и антиматерией возникла», — отметил Рошан.
По его словам, тяжелое нейтрино изменило температуру, при которой фундаментальные частицы, в том числе электроны и другие лептоны, взаимодействовали со своими античастицами при участии бозона Хиггса. Эта температура действовала как своеобразный переключатель, влиявший на формирование дисбаланса.
Бозон Хиггса связан с механизмом, благодаря которому многие элементарные частицы получают массу. В предложенном сценарии тяжелое нейтрино меняло температурные условия важных взаимодействий с его участием. Смещение момента этих процессов, в свою очередь, могло повлиять на то, как во Вселенной возник избыток материи.
Следы в древних гравитационных волнах
Теория также может помочь изучить расширение Вселенной на самых ранних этапах. Соавтор работы доктор Судипта Шоу из Индийского технологического института в Канпуре считает, что влияние забытой частицы могло заметно изменить историю расширения молодого космоса.
По его словам, такое изменение способно оставить различимые следы, например, в первичных гравитационных волнах. Их обнаружение открыло бы новые возможности для изучения того, как развивалась Вселенная после Большого взрыва.
Гравитационные волны — это возмущения пространства-времени. Ученые предполагают, что процессы в чрезвычайно ранней Вселенной могли породить первичные волны, несущие сведения об условиях той далекой эпохи.
Согласно новой теории, временное преобладание тяжелого нейтрино могло оставить в этих древних сигналах узнаваемые особенности. Если когда-нибудь удастся обнаружить такие следы, это даст возможность проверить, действительно ли предполагаемая частица повлияла на раннюю Вселенную.
Пока объяснение остается теоретическим. Тем не менее оно предлагает физикам новый подход к одной из самых глубоких загадок космологии: почему после встречи материи с антиматерией Вселенная не осталась практически пустой.
