В начале своей истории, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была заполнена равным количеством материи и антиматерии — частицами, которые являются копиями материи, но с противоположным зарядом. Затем, когда пространство расширилось, Вселенная остыла. Сегодняшняя Вселенная полна галактик и звезд, состоящих из материи. Куда делась антиматерия, как и почему материя стала доминировать? Это продолжает озадачивать ученых.
Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) и Университета Цинхуа (Китай) открыли новый путь для исследования космического происхождения материи, задействовав «космологический коллайдер».
Коллайдеры высоких энергий, такие как Большой адронный коллайдер, были построены для производства очень тяжелых субатомных элементарных частиц, которые могут открыть новую физику. Но некоторые вопросы физики, такие как объяснение «темной материи» или происхождения материи как таковой, требуют извлечения более тяжелых частиц. Для этого нужно гораздо больше энергии, чем может обеспечить искусственный коллайдер. Оказывается, ранний космос мог служить таким суперколлайдером.
Яноу Куи, адъюнкт-профессор физики и астрономии, объяснила: «Широко распространено мнение, что Большому взрыву предшествовала космическая инфляция — эпоха, когда Вселенная расширялась с экспоненциально ускоряющейся скоростью. Космическая инфляция создала высокоэнергетическую среду, позволяющую производить новые тяжелые частицы и их взаимодействие. Инфляционная Вселенная вела себя точно так же, как космологический коллайдер, за исключением того, что энергия была в 10 миллиардов раз больше, чем у любого коллайдера, созданного человеком».
Микроскопические структуры, созданные во время инфляции, растягивались по мере расширения пространства, что приводило к образованию областей различной плотности в однородной Вселенной. Впоследствии эти микроскопические структуры породили всю нашу Вселенную. Куи говорит, что новая физика субатомных частиц может быть открыта с помощью изучения отпечатка этого космологического «коллайдера» в сегодняшнем космосе: в галактиках и космическом микроволновом излучении.
Научная статья вышла в журнале Physical Review Letters, об исследовании сообщили в Калифорнийском университете Риверсайда.
Авторы работы уверены, что благодаря применению физики космологического коллайдера и использованию точных данных для измерения структуры Вселенной из предстоящих экспериментов (например, SPHEREx и 21-сантиметровая линейная томография), тайна происхождения материи может быть разгадана.
«Тот факт, что в нашей современной Вселенной преобладает материя, остается одной из самых сложных и давних загадок современной физики. Тонкий дисбаланс или асимметрия между материей и антиматерией в ранней Вселенной был необходим для существования сегодняшнего мира, но как так произошло, сегодняшняя фундаментальная физика до конца не понимает», — сказала Куи.
Ученые предлагают проверить концепцию лептогенеза, объясняющую происхождение асимметрии частиц. Если бы Вселенная началась с равных количеств материи и антиматерии, они аннигилировали (взаимно уничтожили) бы друг друга, превратившись в свет, не оставив ничего. Поскольку материя сегодня намного превосходит по количеству антиматерию, для объяснения дисбаланса требуется асимметрия.
«Лептогенез является одним из наиболее убедительных механизмов, порождающих асимметрию материи и антиматерии. Это связано с новой фундаментальной частицей, которую недавно включили в Стандартную модель, — правым нейтрино. Однако долгое время считалось, что проверка лептогенеза почти невозможна, потому что масса правого нейтрино обычно на много порядков превышает досягаемость самой высокой энергии когда-либо построенного коллайдера», — говорит Куи.
В новой работе предлагается проверить лептогенез с помощью подробного анализа статистики распределения объектов в наблюдаемом сегодня космосе, которое является отпечатком распределения вещества в ранней Вселенной. Исследователи утверждают, что эффект космологического коллайдера позволяет рассчитать формирование сверхтяжелых правых нейтрино в инфляционную эпоху.
«Мы показываем, что существенные условия для создания асимметрии, включая взаимодействия и массы правых нейтрино, которые в данном случае играют ключевую роль, могут оставлять отчетливые отпечатки в статистике пространственного распределения галактик и космического микроволнового фона. Астрофизические наблюдения, ожидаемые в ближайшие годы, потенциально могут обнаружить такие сигналы и раскрыть космическое происхождение материи», — сказала исследовательница.
«Уэбб» обнаружил больше древних галактик, чем должно быть согласно Стандартной модели
Астрофизики измерили количество темной материи, каким оно было 12 млрд лет назад