В 1867 году лорд Кельвин представлял атомы как крошечные «узлы» в невидимой среде, называемой эфиром. Эта картина оказалась неверной, поскольку атомы состоят из субатомных частиц, а не из закручиваний в пространстве. Тем не менее, его отброшенная идея узловых структур всё ещё может помочь объяснить один из глубочайших вопросов в науке: почему вообще существует что-либо во Вселенной.
Команда физиков из Японии показала, что узловые структуры могут естественным образом появляться в реалистичной модели физики частиц, которая также затрагивает несколько крупных загадок, включая происхождение массы нейтрино, тёмной материи и проблему сильного СР-нарушения. Их исследование, опубликованное в *Physical Review Letters*, предполагает, что такие «космические узлы» могли сформироваться в бурно меняющейся ранней Вселенной, на короткое время стать доминирующей формой энергии, а затем коллапсировать, создавая небольшое преобладание материи над антиматерией. При их формировании и распаде они могли возмущать само пространство-время, порождая характерный паттерн гравитационных волн, который будущие детекторы, возможно, смогут уловить, что является редкой возможностью для проблемы, которую обычно очень трудно проверить напрямую.
Профессор Мунето Нитта из Международного института устойчивости с узловой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) Университета Хиросимы, ведущий автор исследования, подчёркивает, что это исследование касается одной из самых фундаментальных загадок физики: почему наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии. Этот вопрос важен, поскольку непосредственно затрагивает причину существования звёзд, галактик и нас самих.
Согласно теории Большого взрыва, Вселенная должна была начаться с равных количеств материи и антиматерии. Каждая частица материи имеет античастицу с той же массой, но противоположным зарядом. При их встрече они аннигилируют, превращаясь в чистую энергию. Если бы всё было идеально сбалансировано, вся материя и антиматерия должны были бы уничтожить друг друга, оставив после себя лишь излучение.
Однако почти всё, что мы наблюдаем сегодня, состоит из материи, при этом в космосе почти нет видимой антиматерии. Простые расчёты показывают, что вся наблюдаемая Вселенная, от отдельных атомов до скоплений галактик, существует потому, что в ранней Вселенной выжила всего лишь одна дополнительная частица материи на каждый миллиард пар материя—антиматерия. Стандартная модель физики элементарных частиц, которая успешно описывает большинство известных частиц и сил, не может объяснить эту крошечную, но решающую асимметрию. Её предсказания относительно избытка материи отстают на многие порядки величины. Понимание того, как возник этот небольшой избыток материи — процесс, известный как бариогенезис — остаётся одной из центральных нерешённых проблем в физике.
Нитта и Минору Это из WPI-SKCM2, а также Ю Хамада из Немецкого электронного синхротрона (DESY) в Германии предполагают, что правдоподобное решение может скрываться в хорошо обоснованном расширении известной физики. Объединив калибровочную симметрию «барионы минус лептоны» (B-L) с симметрией Печчеи—Куинн (PQ), команда обнаружила, что стабильные узловые конфигурации могли естественным образом образовываться в ранней Вселенной, а затем создавать наблюдаемый избыток материи.
Эти две дополнительные симметрии изучались десятилетиями, поскольку они помогают разрешить некоторые из самых больших недостатков Стандартной модели. Симметрия PQ решает проблему сильного СР-нарушения, которая задаётся вопросом, почему эксперименты не обнаруживают крошечный электрический дипольный момент, предсказываемый теорией для нейтрона. Решая эту загадку, симметрия PQ вводит аксион — гипотетическую частицу, которая является ведущим кандидатом на роль тёмной материи. В то же время симметрия B-L даёт естественное объяснение того, почему нейтрино обладают массой, хотя они так слабо взаимодействуют с материей, что могут проходить сквозь целые планеты, не оставляя следа.
В этой модели симметрия PQ сохраняется как глобальная, а не «калибровочная», что защищает тонкую физику аксионов, необходимую для решения проблемы сильного СР-нарушения. В физике «калибровочная» симметрия означает, что ей позволено действовать независимо в каждой точке пространства-времени. Такая свобода имеет свою цену, поскольку тогда теория требует новой частицы—переносчика силы для поддержания согласованности уравнений. Калибровка симметрии B-L, напротив, обеспечила существование тяжёлых правосторонних нейтрино, которые необходимы для отмены аномалий в теории и играют ключевую роль во многих сценариях бариогенезиса. Калибровка B-L также создаёт поведение, подобное сверхпроводнику, и устанавливает магнитную структуру, позволяющую формироваться одним из самых ранних «узлов» во Вселенной.
По мере расширения и охлаждения Вселенной после Большого взрыва она, вероятно, прошла через ряд фазовых переходов, в которых её симметрии поэтапно нарушались. Этот процесс, который можно сравнить с неравномерным замерзанием воды в лёд, мог оставить после себя тонкие, нитевидные дефекты, известные как «космические струны». Эти объекты часто описываются как трещины в пространстве-времени и остаются гипотетическими, но многие космологи считают их серьёзной возможностью. Будучи тоньше протона, всего лишь сантиметр такой струны мог бы весить столько же, сколько гора. По мере роста Вселенной сеть этих струн растягивалась, скручивалась и запутывалась, сохраняя информацию об условиях, существовавших в самые ранние моменты.
Нарушение B-L симметрии породило струны, ведущие себя как трубки магнитного потока, в то время как симметрия PQ создала сверхтекучие вихри, не несущие магнитного потока. Резкое различие между этими двумя типами дефектов именно то, что позволяет им сочетаться. Трубка потока B-L обеспечивает структуру, к которой может присоединиться связь Черна—Саймонса сверхтекучего вихря PQ. В свою очередь, эта связь позволяет сверхтекучему вихрю PQ закачивать электрический заряд в трубку потока B-L и противодействовать натяжению, которое обычно приводило бы к сжатию и разрыву петли. Результатом является долгоживущее, топологически заблокированное состояние, известное как «узловой солитон». Профессор Нитта отмечает, что ранее никто не изучал эти две симметрии одновременно, и именно это позволило команде обнаружить стабильный «узел».
Излучение в расширяющейся Вселенной постепенно теряло энергию по мере того, как его длины волн растягивались вместе с пространством-временем. Однако «узлы» вели себя больше как обычная материя, поэтому их плотность энергии уменьшалась гораздо медленнее. В результате они в конечном итоге стали доминировать над излучением, создав период в космической истории, когда энергия, запасённая в «узлах», контролировала эволюцию Вселенной.
Эта фаза не длилась вечно. «Узлы» в конечном итоге распутались посредством квантового туннелирования — процесса, при котором частицы преодолевают энергетические барьеры, которые были бы непреодолимы в классической физике, как если бы они проходили сквозь стену. Когда «узлы» коллапсировали, они произвели тяжёлые правосторонние нейтрино как прямое следствие B-L симметрии, встроенной в их структуру. Эти очень массивные, неуловимые частицы затем распались на более лёгкие, более стабильные частицы с небольшим предпочтением материи над антиматерией. Именно это крошечное предпочтение в конечном итоге привело к Вселенной, наполненной материей, которую мы видим сегодня.
Соавтор исследования Хамада объясняет, что этот коллапс производит множество частиц, включая правосторонние нейтрино, скалярные бозоны и калибровочные бозоны, подобно «ли́вню». Среди них правосторонние нейтрино особенные, потому что их распад может естественным образом генерировать дисбаланс между материей и антиматерией. Эти тяжёлые нейтрино распадаются на более лёгкие частицы, такие как электроны и фотоны, создавая вторичный каскад, который повторно нагревает Вселенную. По его словам, в этом смысле они являются «родителями» всей материи в современной Вселенной, включая наши собственные тела, тогда как «узлы» можно считать «бабушками и дедушками».
Чтобы проверить свою идею, исследователи детально изучили математические следствия своей модели, включая эффективность производства «узлами» правосторонних нейтрино, их массу и температуру, до которой Вселенная нагревается при их распаде. Из этого расчёта естественным образом вытекает наблюдаемый сегодня дисбаланс материи—антиматерии. Перегруппировав уравнения и предположив реалистичную массу 10¹² гигаэлектронвольт (ГэВ) для тяжёлых правосторонних нейтрино и то, что «узлы» передают большую часть своей запасённой энергии на создание этих частиц, модель предсказывает температуру повторного нагрева около 100 ГэВ. Эта температура совпадает с последней возможностью для Вселенной генерировать материю из асимметрии нейтрино. Ниже этой температуры электрослабые процессы, которые преобразуют асимметрию нейтрино в избыток материи, эффективно прекращаются. Повторный нагрев до 100 ГэВ также повлиял бы на фон гравитационных волн Вселенной, смещая его спектр в сторону более высоких частот. Будущие обсерватории гравитационных волн, включая Laser Interferometer Space Antenna (LISA) в Европе, Cosmic Explorer в США и Deci-hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory (DECIGO) в Японии, возможно, однажды смогут обнаружить это едва уловимое изменение в космическом сигнале гравитационных волн.
Профессор Это отмечает, что «космические струны» – это своего рода топологические солитоны, объекты, определяемые величинами, которые остаются неизменными независимо от того, насколько сильно их скручивать или растягивать. Это свойство не только обеспечивает их стабильность, но и означает, что результат исследования не привязан к специфике модели. Несмотря на то что работа всё ещё теоретическая, лежащая в её основе топология не меняется, и это рассматривается как важный шаг к будущим разработкам.
Лорд Кельвин изначально предполагал, что «узлы» могут быть основными составляющими материи. Эта ранняя идея оказалась неверной, но новая работа возвращает дух его предложения в более изощрённой форме. Исследователи утверждают, что их результаты «впервые предоставляют реалистичную модель физики частиц, в которой «узлы» могут играть решающую роль в происхождении материи». Мунето Нитта подчёркивает, что следующий шаг — это уточнение теоретических моделей и симуляций для лучшего предсказания формирования и распада этих «узлов», а также для связи их сигналов с наблюдаемыми данными. В частности, будущие эксперименты по гравитационным волнам, такие как LISA, Cosmic Explorer и DECIGO, смогут проверить, действительно ли Вселенная прошла через «узловую» эпоху.
В конечном итоге команда надеется определить, были ли узлоподобные структуры действительно необходимы для создания материи во Вселенной. Если это так, они могли бы помочь собрать более полную и физически проверяемую историю того, как возник космос.
