Защо във Вселената има материя, от която се образуват звезди, планети и хора? Според очакванията на физиците след Големия взрив материята и антиматерията би трябвало да са възникнали в равни количества и впоследствие да са се унищожили взаимно. Нов теоретичен модел предлага възможно обяснение защо това не се е случило: решаваща роля може да е изиграла тежка, все още неоткрита и доста подценявана частица.
Разковничето се крие в едно съвсем леко неравновесие. В ранната Вселена се е появил нищожен излишък от материя спрямо антиматерията. След взаимното унищожение на частиците и античастиците именно този остатък е осигурил градивния материал за всичко познато около нас.
Сега физици предполагат, че за оцеляването му може да е допринесъл един загадъчен „призрачен“ роднина на неутриното. Ако съществува, той би могъл да помогне за разгадаването на повече от една космологична тайна.
В изследване, публикувано във Physical Review Letters, Ришав Рошан от Университета на Саутхемптън и Судипта Шоу от Индийския технологичен институт в Канпур използват модели и изчисления, за да покажат как подобно стерилно неутрино би могло да повлияе на събитията в ранната Вселена.
Частица, която почти не взаимодейства с останалите
Стерилното неутрино е хипотетична частица, която, за разлика от познатите неутрино, не участва в слабото ядрено взаимодействие. В разглеждания модел то се влияе от гравитацията и взаимодейства изключително слабо с останалите частици чрез връзката си с полето на Хигс.
„Това тежко неутрино, почти откъснато от взаимодействията с останалите частици, дълго е било смятано за незначителна подробност във физиката на частиците“, обяснява Рошан.
„То обаче се разпада невероятно бавно. Докато Космосът се охлаждал след Големия взрив, частицата се задържала достатъчно дълго, за да започне временно да определя енергийната плътност на Вселената и да предизвика период, доминиран от материята.“
Идеята за масивна частица, която почти не взаимодейства с нищо освен чрез гравитацията, естествено напомня за друга голяма загадка — тъмната материя. Действително, стерилните неутрино са сред предложените кандидати за поне част от невидимата маса във Вселената. За тази роля обаче се разглеждат много по-леки техни разновидности, а не тежката частица от настоящото изследване.
Защо познатите неутрино са толкова леки?
Дори частиците неутрино, чието съществуване е установено, остават загадъчни. Познаваме три техни разновидности. Те нямат електрически заряд, масата им е изключително малка и взаимодействат толкова рядко с материята, че могат да преминават почти безпрепятствено през нея. Стотици милиарди може да прекосяват тялото ви и в този момент.
Тези частици са и изключително многобройни. Според публикация в CERN Courier броят им надвишава този на частиците, които формират обикновената материя, с около десет порядъка — приблизително 10 милиарда пъти.
Но защо масата им е толкова малка? Дори електронът, който сам по себе си е изключително лек, е поне милион пъти по-тежък. А точната маса на неутриното все още не е установена.
За да разберем проблема, трябва да се разгледаме т.нар. взаимодействие на Юкава. То описва връзката на частици като фермионите с полето на Хигс, чрез която те могат да придобият маса. Електронът например има сравнително слабо взаимодействие с това поле и съответно малка маса.
През 90-те години физикът Дейвид Милър предлага нагледна аналогия: полето на Хигс прилича на коктейлно парти. Ако в залата влезе известна личност, гостите ще я заобиколят и ще затруднят придвижването ѝ. Колкото по-популярна е тя, толкова по-трудно ще преминава през тълпата. В това сравнение популярността съответства на силата на взаимодействието на Юкава.
Ако приложим същата аналогия към обикновените неутрино, те биха били гости, които почти никой не познава и не заговаря.
Механизмът на Хигс обяснява масите на редица елементарни частици в Стандартния модел. За да обясним по същия пряк начин масата на неутриното обаче, трябва да допуснем взаимодействие с необичайно малка сила.
Едно възможно решение е нашите познати неутрино да имат тежки стерилни партньори. Включването им би разширило Стандартния модел и би предложило различно обяснение за малките неутринни маси.
Тази идея е известна като „механизъм на люлката“. При люлката издигането на едната страна е свързано със спускането на другата. По подобен начин в тези модели много голямата маса на стерилните партньори позволява познатите неутрино да останат изключително леки. Възможно е стерилните разновидности също да са три.
Така същите хипотетични „призрачни“ частици биха могли да помогнат за решаването и на втора загадка — защо масата на обикновените неутрино е толкова малка.
Пренебрегваният трети участник
Новото изследване се съсредоточава върху третото стерилно неутрино. В разглеждания модел то е толкова слабо свързано с останалите частици, че приносът му към неутринните маси и образуването на асиметрия между материята и антиматерията обикновено се приема за пренебрежим.
Според Рошан и Шоу обаче слабите му взаимодействия не означават, че космологичната му роля е незначителна.
„Това почти невзаимодействащо неутрино променило температурата в ранната Вселена, при която фундаментални частици — като електроните и другите лептони — взаимодействали със своите античастици с участието на Хигс бозона от Стандартния модел“, обяснява Рошан.
„Тази температура действа като превключвател, който определя как се е натрупал дисбалансът между материята и антиматерията.“
Именно заради изключително слабите си взаимодействия третото стерилно неутрино би се разпадало много по-бавно от другите два тежки партньора. При разпадите на последните биха се образували лептони — частици от семейството, към което принадлежи и електронът — и съответните им античастици.
Ключовото е, че тези разпади биха могли да създадат съвсем малък излишък на лептони спрямо антилептоните.
Междувременно по-дълго живеещото стерилно неутрино би променило временно енергийния баланс на Вселената. За известен период неговият принос би надделял над този на лъчението, променяйки темпа на космическото разширяване и охлаждане. След пълния му разпад лъчението отново би станало доминиращо.
Според предложения сценарий тази временна промяна би повлияла върху начина, по който се формира и запазва излишъкът от материя. Впоследствие от него би могло да възникне всичко познато — от галактиките до междузвездните газови облаци, съдържащи молекули, свързвани с аромата на малини.
В графиката на изследователите рязко спадащата червена линия представя въпросното слабо взаимодействащо неутрино. Показан е периодът, през който то влияе върху развитието на ранната Вселена, преди да се разпадне и лъчението отново да стане доминиращо. Източник: Roshan & Show, Physical Review Letters, 2026.
В горещата квантова „супа“ на ранния Космос действа и необичаен механизъм, известен като сфалеронен процес. Той позволява част от лептонната асиметрия да се преобразува в излишък на кварки спрямо антикварките.
По-късно кварките се свързват в протони и неутрони. Заедно с оцелелите електрони те осигуряват градивните частици на атомите и на познатата ни материя.
Тук има важно разграничение. „Период, доминиран от материята“ не означава, че материята вече е победила антиматерията. В космологията този израз описва състояние, при което бавно движещите се масивни частици имат по-голям принос към общата енергийна плътност от лъчението. В предложения модел тежкото стерилно неутрино временно поема именно тази роля. Излишъкът на частици спрямо античастици е отделен въпрос, макар двата процеса да са свързани.
Връзката между тях е темпът на космическото разширяване. От него зависи дали определени взаимодействия протичат достатъчно бързо, за да поддържат частиците в равновесие, докато Вселената се охлажда. Променяйки разширяването, дълго живеещото неутрино би променило и температурите, при които това равновесие се установява. Така частица, която почти не взаимодейства пряко с останалите, може косвено да повлияе върху процесите, определящи крайния излишък от материя.
Как може да се провери тази хипотеза?
Моделът прави предсказание за масата на най-лекото неутрино. Това е важно, защото означава, че идеята може да бъде проверена и евентуално опровергана. Експериментите, които изследват неутринните маси, биха могли да помогнат да се установи дали предложеният сценарий е съвместим с действителността.
Изследването „ни предлага ново обяснение как материята е надделяла“, казва Шоу.
„Драстичната промяна в ранното разширяване на Космоса оставя характерни, но откриваеми следи — например в първичните гравитационни вълни.“
Това открива и втори възможен път за проверка. Макар тежкото стерилно неутрино отдавна да би се разпаднало, някогашното му влияние може да е оставило отпечатък върху гравитационните вълни — колебания на самото пространство-време, породени в най-ранните етапи от космическата история.
Да уловим подобно ехо от раждането на Вселената обаче е изключително трудно. За целта ще са необходими обсерватории от ново поколение като космическата мисия LISA. Тя ще използва три апарата на разстояние 2,5 милиона километра един от друг. Свързани с лазерни лъчи, те ще образуват гигантски триъгълник, който ще следва Земята по орбитата ѝ около Слънцето. Изграждането на мисията вече е започнало.
Ако този сценарий се потвърди, съществуването ни ще се окаже свързано с частица, която отдавна е изчезнала и която можем да разпознаем единствено по оставените следи. Познатите неутрино често са наричани „призрачни частици“. В този смисъл техният изгубен тежък роднина би бил своеобразен „призрак на призрака“.
Както обобщава Шоу:
„Тези следи в гравитационните вълни откриват нови възможности да разгадаем развитието на ранната Вселена след Големия взрив.“
Изследването е публикувано в Physical Review Letters.
