Таємниця нашого існування: фізики пояснили, як "примарна" частинка врятувала Всесвіт від знищення

Згідно з сучасними уявленнями, після Великого вибуху матерія та антиматерія мали утворюватися майже в однакових кількостях. Під час зустрічі частинки й античастинки взаємно знищуються, перетворюючи свою масу на енергію. Якби їх було порівну, у Всесвіті могло б не залишитися достатньо матерії для утворення зірок, планет і життя. Однак певна перевага матерії все ж виникла, і фізики досі намагаються з’ясувати, як саме це сталося.

Нове теоретичне дослідження пропонує можливе пояснення: важке нейтрино, яке надзвичайно слабо взаємодіяло з іншими частинками, могло на певному етапі змінити умови в ранньому Всесвіті. Про це пише ScienceAlert.

Що це за примарна частинка

Дослідники Рішав Рошан з Університету Саутгемптона та Судіпта Шоу з Індійського технологічного інституту в Канпурі вивчили можливу роль так званого стерильного нейтрино. Звичайні нейтрино належать до найлегших відомих частинок, майже не мають електричного заряду та надзвичайно рідко взаємодіють із речовиною. Через це їх часто називають примарними частинками.

Стерильне нейтрино — гіпотетичний різновид, який не бере участі у звичайних сильних, слабких та електромагнітних взаємодіях. Воно могло б взаємодіяти з іншими компонентами Всесвіту переважно через гравітацію та дуже слабкий зв’язок із полем Гіггса. Таку частинку поки не виявили, а її існування розглядають у межах теоретичних моделей, які розширюють Стандартну модель фізики елементарних частинок.

У новій роботі науковці зосередилися на особливому важкому нейтрино, яке могло бути майже відокремленим від інших частинок. Через надзвичайно слабку взаємодію воно могло розпадатися повільніше, ніж інші гіпотетичні нейтрино, і довше залишатися в ранньому Всесвіті.

Як нейтрино могло змінити долю матерії

За розрахунками дослідників, довгоживуча частинка могла тимчасово стати важливою складовою енергетичного балансу раннього Всесвіту. Поки вона існувала, співвідношення між різними складовими космічної енергії змінювалося, а разом із ним — темп розширення та температура Всесвіту.

Ці зміни могли вплинути на момент, коли фундаментальні частинки, зокрема електрони та інші лептони, почали ефективно взаємодіяти з відповідними античастинками за участю поля Гіггса. Температура, за якої такі взаємодії переходять у певний режим, важлива для процесів, що могли сформувати асиметрію між матерією та антиматерією.

У запропонованому сценарії розпади важкого нейтрино могли сприяти утворенню невеликого надлишку матерії. Навіть мінімальна різниця мала значення: після взаємного знищення більшості частинок і античастинок саме цей залишок міг стати будівельним матеріалом для майбутніх галактик, зірок, планет і всього, що існує сьогодні.

Водночас автори не стверджують, що знайшли остаточну відповідь на питання про походження матерії. Їхня робота описує можливий механізм, який потрібно перевірити й зіставити з іншими моделями раннього Всесвіту.

Чи можна перевірити цю гіпотезу

Одна з важливих особливостей роботи полягає в тому, що вона пропонує способи перевірки. Дослідники розрахували, як існування важкого нейтрино могло позначитися на еволюції раннього Всесвіту та процесах, пов’язаних із виникненням асиметрії матерії й антиматерії.

Зокрема, вплив такої частинки міг залишити сліди у первинних гравітаційних хвилях — коливаннях простору-часу, які виникли на ранніх етапах космічної історії. Якщо вченим вдасться виявити відповідні сигнали, це допоможе перевірити, чи справді Всесвіт пережив період, коли важкі частинки істотно впливали на його розширення.

Іншим напрямом перевірки можуть стати вимірювання властивостей звичайних нейтрино. Передбачення авторів пов’язані з масою найлегшого з них, тому майбутні експерименти з фізики частинок можуть допомогти оцінити, наскільки запропонована модель відповідає спостереженням.

«Це дає нам нове пояснення того, як матерія перемогла», — зазначив співавтор дослідження Судіпта Шоу.

Учені також припускають, що особливості розширення раннього Всесвіту могли залишити помітні ознаки у спектрі гравітаційних хвиль. У перспективі їх можна буде шукати за допомогою майбутніх космічних обсерваторій, зокрема LISA, яку розробляють для дослідження гравітаційних хвиль.

Поки що стерильне нейтрино залишається гіпотетичною частинкою, а його роль у походженні матерії — предметом теоретичних розрахунків. Проте дослідження демонструє, як малопомітний компонент фізичної моделі міг вплинути на процеси, завдяки яким Всесвіт набув свого сучасного вигляду.

Приховані частинки та загадки Всесвіту — останні дослідження

Пошуки невідомих компонентів космосу тривають і в експериментах із темною матерією. У вересні дослідники проаналізували незвичний сигнал у підземному детекторі LUX-ZEPLIN, який потенційно міг бути пов’язаний із взаємодією частинки темної матерії. Водночас науковці наголосили, що однієї події недостатньо для підтвердження відкриття, адже сигнал міг мати й інше пояснення. Саме тому пошук невловимої темної матерії залишається однією з найскладніших задач сучасної фізики.

Але вчені шукають сліди невидимих компонентів Всесвіту не лише за допомогою спеціальних детекторів. Інший підхід запропонували дослідники, які використали магнітне поле Землі як можливий інструмент для пошуку слабких сигналів темної матерії. Вони зафіксували аномалії, які потребують подальшого вивчення, перш ніж можна буде пов’язати їх із невідомими частинками.

Водночас фізики досліджують і можливі наслідки існування гіпотетичних частинок для космічних об’єктів. Нещодавно науковці змоделювали сценарій, за якого чорна діра могла б перетворитися на бозонну зорю — екзотичний об’єкт, існування якого поки не підтверджене спостереженнями. Такі моделі допомагають перевіряти межі сучасних уявлень про гравітацію та фундаментальні частинки, а також пояснювати, які незвичайні об’єкти можуть існувати у Всесвіті.