Физики предложили новое объяснение одной из главных загадок космологии: почему Вселенная состоит преимущественно из материи, хотя Большой взрыв, согласно существующим представлениям, должен был породить примерно одинаковое количество материи и антиматерии. Исследователи из Саутгемптонского университета и их коллеги предполагают, что ключевую роль могло сыграть тяжелое нейтрино — частица, способная влиять на эволюцию ранней Вселенной благодаря необычно медленному распаду. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Почему материя не исчезла вместе с антиматерией

Материя и антиматерия при встрече могут аннигилировать, превращаясь в энергию. Если бы после Большого взрыва их количества были совершенно одинаковыми, почти все частицы обоих типов должны были бы уничтожить друг друга, оставив Вселенную преимущественно заполненной излучением.

Однако наблюдаемая Вселенная устроена иначе: в ней существуют галактики, звезды, планеты и живые организмы. Значит, на раннем этапе ее эволюции возникло небольшое преимущество материи над антиматерией.

Согласно распространенной оценке, на каждый миллиард пар частица — античастица могла приходиться примерно одна дополнительная частица материи. После аннигиляции пар именно этот крошечный избыток стал строительным материалом всего окружающего нас мира.

Почему возникла такая асимметрия, физики пока не установили окончательно. Существуют различные механизмы, способные объяснить преимущество материи, но вопрос о том, какой из них действительно сработал в ранней Вселенной, остается открытым.

Как тяжелое нейтрино могло изменить ход событий

Команда исследователей предложила механизм, в котором важную роль играет тяжелое нейтрино, слабо взаимодействующее с другими частицами.

Нейтрино — элементарные частицы, которые чрезвычайно редко взаимодействуют с веществом. В рассматриваемой модели речь идет об особом тяжелом нейтрино, которое могло сохраняться в ранней Вселенной достаточно долго, чтобы повлиять на ее энергетический баланс.

По расчетам ученых, из-за медленного распада эта частица пережила период охлаждения Вселенной и на определенном этапе могла стать главным вкладчиком в ее плотность энергии. Такое временное господство изменило условия, в которых происходили взаимодействия между частицами.

В частности, исследователи связывают этот эффект с температурой, при которой лептоны — например, электроны — взаимодействовали со своими античастицами посредством бозона Хиггса. Изменение этого температурного порога, согласно предложенному механизму, могло повлиять на величину асимметрии между материей и антиматерией.

Таким образом, частица, которую прежде могли не учитывать в подобных сценариях, способна оказаться важным звеном в объяснении того, почему материя не исчезла в первые мгновения существования космоса.

Гипотезу можно проверить по гравитационным волнам

Одно из важных следствий работы заключается в том, что предложенный механизм может оставить наблюдаемые следы. Исследователи предполагают, что он должен был повлиять на первичные гравитационные волны — возмущения пространства-времени, связанные с процессами в ранней Вселенной.

Обнаружение характерных признаков таких волн могло бы помочь проверить гипотезу и лучше понять, как развивалась Вселенная на самых ранних этапах. Однако пока речь идет о теоретическом предсказании: само по себе исследование не означает, что соответствующий сигнал уже обнаружен.

Если будущие наблюдения подтвердят расчеты, это станет важным аргументом в пользу предложенного механизма. Если же ожидаемые следы не удастся найти, ученым придется уточнять модель или искать другие объяснения космической асимметрии.

Работа также затрагивает представления о раннем расширении Вселенной и о том, как изменения в составе ее энергетических компонентов могли влиять на последующую эволюцию.

Почему это важно для понимания Вселенной

Происхождение преобладания материи — не отвлеченный вопрос о свойствах элементарных частиц. От ответа на него зависит объяснение самого существования сложных структур во Вселенной.

Если бы материя и антиматерия полностью аннигилировали, не возникли бы привычные нам звезды, планеты и галактики. Поэтому выяснить, каким образом сформировался первоначальный избыток материи, означает приблизиться к пониманию условий, сделавших возможным существование наблюдаемого мира.

Предложенная модель не закрывает этот вопрос окончательно и пока остается гипотезой, которую предстоит проверить. Ее значение в другом: она показывает, как свойства частиц, которые могут казаться несущественными, способны повлиять на эволюцию всей Вселенной.

Возможно, разгадка космической асимметрии действительно связана с тяжелым нейтрино. Но окончательный ответ потребует не только теоретических расчетов, но и наблюдательных свидетельств, способных отличить этот сценарий от других объяснений.