Нейтрино могли помешать Вселенной уничтожить себя

Теория Большого взрыва объясняет, как возникла Вселенная, но, как ни странно, если следовать этой теории, она также говорит о том, что мы не должны существовать.

Это потому, что при Большом взрыве должны были быть созданы равные количества вещества и антивещества, которые просто уничтожили бы друг друга. Но вот теперь физики предложили новую теорию, которая объясняет тайну, и обрисовали в общих чертах, как мы можем найти прямые доказательства этого.

Все вокруг нас — и мы в том числе — состоит из материи. С другой стороны, антивещество, по-видимому, встречается крайне редко и кратковременно возникает в экспериментах в ЦЕРНе или во время грозы и ураганов.

Но мы должны быть очень благодарны за эту редкость. Частицы антивещества имеют электрический заряд, противоположный веществу, и, если они когда-либо встретятся, они попросту уничтожат друг друга, сопроводив уничтожение огромным выбросом энергии.

Тот факт, что мы существуем, означает, что, очевидно, этого не произошло. Но почему? По общему мнению, Большой взрыв должен был производить вещество и антивещество в равных количествах, так куда же делось все антивещество? Это один из самых больших вопросов без ответа в космологии.

Наше собственное существование предполагает, что каким-то образом какое-то количество антиматерии в какой-то момент времени превратилось в обычную материю. Даже если дисбаланс был крошечный, как одна часть на миллиард, он может оставить достаточно материи после всего уничтожения, чтобы возникли звезды, галактики, планеты и люди.

Проблема в том, что материя и антиматерия не могут просто поменяться местами, поскольку у них разный электрический заряд. Все вещество, кроме нейтрино — эти крошечные фундаментальные частицы — единственные, о которых мы знаем, которые имеют нейтральный электрический заряд.

Поскольку противоположность нулю по-прежнему равна нулю, нейтрино могут быть их собственными античастицами. Это означает, что нейтрино могли бы переключиться на другую сторону с небольшой помощью вселенной, переживающей фазовый переход.

«Фазовый переход подобен превращению кипящей воде в пар или охлаждению воды в лед», — говорит Хитоси Мураяма, соавтор исследования. «Поведение вещества изменяется при определенных температурах, называемых критическими. Когда определенный металл охлаждается до низкой температуры, он полностью теряет электрическое сопротивление при фазовом переходе, превращаясь в сверхпроводник. Подобно сверхпроводнику, фазовый переход в ранней вселенной мог создать очень тонкую пленку магнитных полей, называемых космическими струнами».

Согласно некоторым теориям, космические струны пронизывают вселенную, что-то вроде того, как трещины могут образовываться во льду при замерзании воды. Они могли бы дать нейтрино стимул, необходимый для изменения электрических зарядов, но до сих пор не было найдено прямых доказательств существования струн.

Это может быть потому, что они прячутся времени, там, где мы не можем их увидеть. Предполагается, что космические струны сформировались относительно быстро после фазового перехода, и все это произошло бы в течение первого миллиона лет существования Вселенной.

К сожалению, фоновое излучение мешает нашим телескопам заглянуть так далеко назад. Но есть и другой способ изучения того, что произошло до того — гравитационные волны. Эта рябь в самой ткани пространства-времени, которая испускается огромными катаклизмами, такими как слияние черных дыр, и ученые обнаруживают их довольно последовательно с 2015 года.

По словам исследователей, космические струны также могли оставить гравитационные отпечатки в пространстве-времени, которые мы могли бы обнаружить. Конечно, они будут намного меньше, чем те, которые мы в настоящее время находим с LIGO и другими инструментами, но они также должны выглядеть совсем иначе, что позволит ученым отличать их друг от друга.

«Недавнее открытие гравитационных волн открывает новую возможность оглянуться назад во времени, поскольку вселенная прозрачна для гравитации на всем пути назад к началу», — говорит Грэм Уайт, соавтор исследования.

«Когда вселенная была в триллион или квадриллион раз горячее, чем самое горячее место во вселенной сегодня, нейтрино, вероятно, вели себя именно так, как нам требуется для обеспечения нашего выживания. Мы продемонстрировали, что они, вероятно, также оставили позади фон обнаруживаемых гравитационных волн, чтобы сообщить нам».

Ученые говорят, что будущие космические детекторы гравитационных волн, такие как LISA, BBO или DECIGO, могут помочь нам обнаружить таинственные космические струны и раз и навсегда разгадать тайну.

Jeff A. Dror et al, Testing the Seesaw Mechanism and Leptogenesis with Gravitational Waves, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.041804