Физики предложили новое объяснение того, почему во Вселенной сохранилась материя
Физики предложили новое объяснение одной из главных загадок современной космологии — почему после Большого взрыва во Вселенной сохранилась материя, из которой впоследствии образовались звёзды, планеты и живые организмы. Согласно их расчётам, решающую роль в этом процессе могли сыграть гипотетические тяжёлые нейтрино, которые существовали на ранних этапах развития Вселенной и распадались значительно медленнее других частиц. Их присутствие могло изменить скорость расширения космоса и повлиять на формирование избытка материи над антиматерией.
Учёные рассмотрели разновидность тяжёлого правого нейтрино, взаимодействие которого с известными элементарными частицами чрезвычайно слабое. В большинстве предыдущих теоретических моделей его влияние на процессы ранней Вселенной считалось несущественным.
Проблема, которую пытаются объяснить физики, связана с фундаментальными свойствами материи и антиматерии. При столкновении частицы со своей античастицей происходит аннигиляция, в результате которой их энергия переходит в другие частицы, в том числе фотоны. Если бы после Большого взрыва количества материи и антиматерии оставались совершенно одинаковыми, известная нам вещественная Вселенная не смогла бы сформироваться. Однако наблюдения показывают, что на ранних этапах возник небольшой избыток материи, происхождение которого до сих пор окончательно не установлено.
Нейтрино относятся к самым лёгким известным элементарным частицам и чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Однако некоторые теоретические модели предполагают существование гораздо более тяжёлых нейтрино, обладающих другими свойствами. Такие частицы используются, в частности, в механизме качелей — гипотезе, объясняющей, почему массы обычных нейтрино настолько малы.
В новой исследователи сосредоточились на наиболее тяжёлом правом нейтрино, которое практически не взаимодействует с остальными частицами. Из-за чрезвычайно слабой связи с обычным веществом оно могло существовать достаточно долго, чтобы заметно повлиять на развитие молодой Вселенной.
Расчёты показали, что по мере расширения и охлаждения космоса энергия таких тяжёлых частиц при определённых условиях могла временно стать преобладающей. Это привело бы к короткому периоду, когда расширение Вселенной определялось главным образом нерелятивистскими частицами, а не излучением. После их распада энергия вновь переходила в более лёгкие частицы, изменяя дальнейшую тепловую историю космоса.
Такой сценарий влияет на температуру, при которой определённые взаимодействия элементарных частиц успевают прийти в тепловое равновесие. Особое значение имеют процессы с участием заряженных лептонов — электронов, мюонов и тау-лептонов, взаимодействующих с полем Хиггса. При изменении скорости расширения Вселенной эти процессы могут достигать равновесия значительно позже, чем предполагалось в стандартных расчётах.
Для одного из рассмотренных наборов параметров исследователи получили снижение соответствующего температурного порога для тау-лептонов примерно в семь раз. Это меняет условия протекания лептогенеза — предполагаемого процесса, в ходе которого на ранних этапах развития Вселенной могла возникнуть асимметрия между лептонами и антилептонами. Впоследствии часть этой асимметрии могла преобразоваться в наблюдаемый избыток обычной материи.
В предложенном сценарии долгоживущее тяжёлое нейтрино влияет на этот процесс прежде всего через изменение расширения Вселенной. Образование самой лептонной асимметрии связано с распадами других тяжёлых нейтрино. Таким образом, частица, которую раньше практически исключали из подобных расчётов, способна существенно изменить условия возникновения преобладания материи.
Предложенная модель также позволяет связать процессы ранней Вселенной с наблюдениями, которые потенциально можно провести в будущем. Временное изменение режима космического расширения должно было повлиять на характеристики первичных гравитационных волн — слабых возмущений пространства-времени, возникших в результате физических процессов на самых ранних этапах существования космоса.
По расчётам исследователей, такой период мог оставить особенности в спектре гравитационно-волнового фона. Их поиск в дальнейшем поможет проверить, существовала ли в ранней Вселенной стадия, когда основную долю плотности энергии составляли тяжёлые нестабильные частицы. Дополнительные ограничения на модель могут дать исследования масс нейтрино и их осцилляций — переходов между различными нейтринными состояниями.
Полученные результаты основаны на теоретических расчётах, а существование рассматриваемого тяжёлого нейтрино пока экспериментально не подтверждено. Авторы продемонстрировали, что его присутствие способно изменить условия образования асимметрии между материей и антиматерией, но предложенный сценарий ещё не установлен как действительный механизм формирования вещества во Вселенной.
Помимо происхождения обычной материи, подобное изменение ранней космологической истории может иметь последствия для моделей образования тёмной материи и распространения первичных гравитационных волн. Дальнейшие исследования этих процессов помогут определить, какие наблюдаемые признаки способны отличить предложенный сценарий от других объяснений эволюции молодой Вселенной.