Наследие Кельвина: отвергнутая гипотеза об атомах-узлах может объяснить происхождение Вселенной

Во второй половине 19 века лорд Кельвин выдвинул гипотезу, согласно которой атомы представляют собой узлы в эфире. Хотя эта идея была впоследствии опровергнута, сама концепция узлов как фундаментальных структур вновь обрела актуальность в современной физике элементарных частиц. Японские физики из Университета Хиросимы впервые продемонстрировали, что узлы могут возникать в реалистичной модели физики элементарных частиц. Их работа предлагает решения для нескольких фундаментальных проблем современной физики, включая происхождение массы нейтрино, природу темной материи, сильную CP-проблему и, что наиболее важно, загадку бариогенезиса — преобладания материи над антиматерией во Вселенной.

Ключевой проблемой, на которой сосредоточено исследование, является асимметрия материи и антиматерии. Согласно стандартной космологической модели, Большой взрыв должен был создать равное количество частиц и античастиц, которые аннигилировали бы друг с другом, оставив лишь излучение. Однако наблюдения показывают, что Вселенная состоит почти исключительно из материи. Для объяснения существования звезд, галактик и самой жизни требуется механизм, который создал бы крошечный избыток материи — примерно одна лишняя частица на миллиард пар материя-антиматерия. Стандартная модель физики элементарных частиц не в состоянии объяснить этот дисбаланс.

Группа исследователей под руководством Мунето Нитты и Минору Это из Университета Хиросимы в сотрудничестве с Ю Хамадой из Deutsches Elektronen-Synchrotron в Германии предложила решение этой проблемы, объединив два теоретических расширения Стандартной модели. Первое расширение — это симметрия Peccei–Quinn (PQ), которая была предложена для решения сильной CP-проблемы, загадочного отсутствия ожидаемого электрического дипольного момента у нейтрона. Эта симметрия предсказывает существование аксиона, который является одним из ведущих кандидатов на роль частицы темной материи. Второе расширение — калиброванная симметрия барионного числа минус лептонное число (B–L), которая объясняет происхождение массы нейтрино. Объединение этих двух симметрий позволило исследователям получить новую физическую картину ранней Вселенной.

Критическим аспектом предложенной модели является то, что симметрия PQ сохраняется как глобальная, тогда как симметрия B–L становится калибровочной. Это различие имеет важные последствия. Калибровка симметрии B–L требует введения нового калибровочного бозона, который обеспечивает сверхпроводящее поведение в ранней Вселенной. Это сверхпроводящее состояние создает магнитную основу для формирования топологических дефектов. По мере охлаждения Вселенной после Большого взрыва происходили фазовые переходы, в ходе которых симметрии нарушались. Эти нарушения приводили к образованию космических струн — гипотетических одномерных дефектов пространства-времени. В данной модели нарушение симметрии B–L порождает струны магнитных потоковых трубок, а симметрия PQ приводит к появлению сверхтекучих вихрей.

Именно взаимодействие между этими двумя типами структур создает условия для образования устойчивых узлов. Силовая трубка B–L обеспечивает точку зацепления для сверхтекучего вихря PQ через связь Черна–Саймонса. Эта связь позволяет вихрю перекачивать заряд в силовую трубку, компенсируя натяжение, которое в противном случае привело бы к разрыву петли. В результате образуется метастабильная топологически заблокированная конфигурация, известная как солитон узла. Исследователи подчеркивают, что устойчивость узла обусловлена именно комбинацией двух симметрий, которые ранее не изучались совместно в таком контексте.

Образовавшиеся узлы играли важную роль в эволюции ранней Вселенной. В то время как плотность энергии излучения быстро падала по мере расширения пространства, узлы вели себя как нерелятивистская материя, их плотность энергии уменьшалась значительно медленнее. Это привело к тому, что узлы на короткое время стали доминирующим компонентом Вселенной, начав эпоху так называемого доминирования узлов. Однако это господство было временным. Узлы в конечном счете распутывались через процесс квантового туннелирования, при котором системы преодолевают энергетические барьеры без классического перехода.

Коллапс узлов имел далеко идущие последствия. При их распаде образовывались тяжелые правополяризованные нейтрино — частицы, которые являются естественным следствием симметрии B–L. Эти массивные нейтрино затем распадались на более легкие частицы, причем их распад происходил с небольшим преимуществом в сторону материи над антиматерией. Этот процесс создал тот самый дисбаланс, который мы наблюдаем сегодня. Исследователи образно описывают тяжелые нейтрино как «родителей» всей материи во Вселенной, а узлы — как «прародителей».

Математический анализ модели показал ее согласованность с наблюдаемыми данными. Используя реалистичное значение массы для тяжелых нейтрино порядка 10¹² гигаэлектронвольт и предполагая, что большая часть энергии узлов пошла на рождение этих частиц, модель естественным образом приводит к температуре повторного нагрева Вселенной около 100 ГэВ. Эта температура имеет большое значение, поскольку она отмечает последний момент, когда могли эффективно протекать электрослабые реакции, преобразующие нейтринный дисбаланс в барионную асимметрию.

Важным предсказанием модели является специфический сигнал в спектре гравитационных волн. Процесс повторного нагрева до 100 ГэВ должен был изменить спектральные характеристики реликтовых гравитационных волн, сместив их в сторону более высоких частот. Этот сигнал потенциально может быть обнаружен будущими гравитационно-волновыми обсерваториями, такими как Laser Interferometer Space Antenna (LISA) в Европе, Cosmic Explorer в США и Deci-hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory (DECIGO) в Японии.

Исследователи подчеркивают, что их результат обладает значительной степенью универсальности благодаря своей топологической природе. Солитоны узлов являются топологически стабильными объектами, чьи свойства не зависят от деталей конкретной модели. Это означает, что полученные выводы могут оказаться устойчивыми при дальнейшем развитии теории.

В отличие от первоначальной гипотезы Кельвина, которая рассматривала узлы как фундаментальные строительные блоки материи, в данной модели узлы выступают как временные структуры в ранней Вселенной, сыгравшие ключевую роль в создании асимметрии между материей и антиматерией. Авторы работы утверждают, что их исследование впервые предоставляет реалистичную модель физики элементарных частиц, где узлы играют решающую роль в происхождении материи.

Перспективы дальнейших исследований включают уточнение теоретических моделей и численное моделирование процессов образования и распада узлов, а также установление более точной связи между параметрами модели и наблюдаемыми сигналами, особенно в области гравитационных волн. Проверка предсказаний модели будущими гравитационно-волновыми экспериментами может предоставить решающие доказательства в пользу того, что Вселенная действительно прошла через эпоху доминирования узлов, что стало бы важным шагом в понимании самых ранних этапов ее развития.