С точки зрения физики материя и антиматерия обладают совершенно равными «правами на существование». Но в нашем мире нас окружает почти исключительно материя, в то время как ее противоположность возникает крайне редко в ходе некоторых ядерных реакций. Также ее можно получить искусственно в ускорителях элементарных частиц, потратив много энергии. Откуда взялся такой «перекос» в сторону одного из типов вещества? На этот вопрос попытались ответить сотрудники Калифорнийского университета в Риверсайде вместе с коллегами из Университета Циньхуа в Китае. Результаты их совместного исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Согласно современным представлениям, в первые мгновения своего существования Вселенная была наполнена равным количеством частиц материи и антиматерии. Последние имеют такую же массу, как их материальные аналоги, но противоположный электрический заряд, а в случае нейтронов и нейтрино — противоположный спин. Со временем пространство расширялось, вещество в нем охлаждалось, и «нормальные» частицы получили возможность взаимодействовать с античастицами, то есть аннигилировать с полным превращением суммарной массы в энергию. Но в итоге одного типа частиц оказалось немножко больше. В этой «немножке» (согласно расчетам, она составляет примерно одну стомиллионную от общей первичной массы Вселенной) мы сейчас и живем. Из нее состоят все звезды, планеты, галактики, межзвездное и межгалактическое вещество — все, что астрономы регистрируют во время наблюдений во всех диапазонах электромагнитных волн от радио до гамма-излучения.
В наше время ученые строят сверхмощные коллайдеры, где в условиях сверхвысоких энергий сталкиваются субатомные элементарные частицы. Самым известным из этих устройств является, безусловно, Большой адронный коллайдер. Во время таких столкновений образуются еще более тяжелые нестабильные частицы, исследование которых позволяет больше узнать о природе материи. Однако в ранней Вселенной условия были еще более жесткими, плотность вещества — большей, а энергия столкновений — в миллиарды раз выше. Фактически тогда «работал» самый мощный из всех возможных коллайдеров, образуя гораздо более тяжелые частицы. Они могли стать ответственными за будущую «вселенскую асимметрию».
Благодаря своей большой массе эти частицы образовали первые возмущения в прежде однородной первичной материи. На определенной стадии эволюции Вселенной, как сейчас считается, она пережила инфляцию — короткое, но всеобъемлющее расширение со скоростью, многократно превышающей скорость света. Все неоднородности, успевшие в ней возникнуть к этому моменту, сразу приобрели космологические масштабы и позже стали «зародышами» будущих концентраций вещества, из которых далее образовались звезды, галактики и вся крупномасштабная структура нашего мира.
Авторы статьи предположили, что, исследуя крупномасштабную структуру Вселенной, которая сегодня проявляется, например, в виде распределения галактик по небу и картины неоднородностей температуры реликтового микроволнового излучения, нам удастся расшифровать физику тяжелых субатомных частиц. А дальше, зная ее, можно перейти к физике более легких частиц — так называемых лептонов. Именно на их уровне и начинается материально-антиматериальная асимметрия. Особенно важны в этом смысле механизмы появления так называемого правостороннего нейтрино.
«Тот факт, что в нашей Вселенной доминирует материя, остается одной из самых старых и запутанных тайн современной физики, — объясняет предмет своих исследований Яну Куи из Калифорнийского университета в Риверсайде. — Тонкий дисбаланс или асимметрия между материей и антиматерией в ранней Вселенной необходим для достижения сегодняшнего доминирования материи, но не он может быть реализован в рамках известных закономерностей фундаментальной физики».
Одной из возможностей заглянуть «за кулисы» этих процессов является исследование лептогенеза — синтеза легких элементарных частиц, наиболее известными из которых являются электроны. Долгое время это считалось невозможным, хотя бы потому, что масса правостороннего нейтрино на многие порядки превышает потенциал мощнейших из когда-либо построенных коллайдеров. Но если считать таким коллайдером первичную Вселенную, мы можем узнать много интересного о появлении таких нейтрино путем анализа распределения галактик и «узора» температуры микроволнового излучения. «Условия для генерации асимметрии, включая взаимодействие и массу правостороннего нейтрино… могут оставить характерные отпечатки в статистике пространственного распределения галактик или космического микроволнового фона, которые можно точно измерить, — объяснил ученый. — Астрофизические наблюдения, которые будут проведены в ближайшие годы, могут обнаружить такие сигналы и разгадать космическое происхождение материи». Как отмечает в выводах своей статьи группа исследователей, применение физики космологического коллайдера станет возможным после завершения астрофизических экспериментов ближайшего будущего — таких, как SPHEREx. Они предоставят нам более точные данные о структуре нашей Вселенной, и мы на еще один шаг приблизимся к разгадке тайны происхождения материи.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
