25.10.2025. - Ключ к пониманию того, почему существует Вселенная

Ключ к пониманию того, почему существует Вселенная

В 1867 году лорд Кельвин представил атомы как узлы в эфире. Вскоре эта идея была опровергнута. Атомы оказались чем-то совершенно иным. Но его отвергнутое видение, возможно, все же содержит ключ к пониманию того, почему существует Вселенная.

Теперь, впервые, японские физики показали, что узлы могут возникать в реалистичной системе физики элементарных частиц, которая также решает глубокие загадки, такие как массы нейтрино, темная материя и проблема сильного CP.

Их выводы, опубликованные в Physical Review Letters, предполагают, что эти "космические узлы" могли образоваться и на короткое время доминировать в турбулентной новорожденной Вселенной, коллапсируя таким образом, что материя преобладала над антивеществом, и оставляя после себя уникальный гул в пространстве—времени, который могли бы уловить будущие детекторы - редкость для загадки физики, которую, как известно, трудно разгадать. зонд.

"Это исследование раскрывает одну из самых фундаментальных загадок физики: почему наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества", - сказал автор исследования Мунето Нитта, профессор (по специальному назначению) Международного института устойчивого развития с узловатой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) при Университете Хиросимы в Японии. "Этот вопрос важен, потому что он напрямую затрагивает вопрос о том, почему звезды, галактики и мы сами вообще существуем".

Во Вселенной отсутствует антивещество

В результате Большого взрыва должно было образоваться равное количество вещества и антивещества, причем каждая частица уничтожала своего двойника, пока не осталось только излучение. Однако Вселенная в подавляющем большинстве состоит из вещества, а антивещества почти не видно. Расчеты показывают, что все, что мы видим сегодня, от атомов до галактик, существует потому, что на каждый миллиард пар материя–антивещество приходится всего одна лишняя частица материи.

Стандартная модель физики элементарных частиц, несмотря на свой исключительный успех, не может объяснить это несоответствие. Ее предсказания не соответствуют действительности на много порядков. Объяснение происхождения этого небольшого избытка вещества, известного как бариогенез, является одной из величайших нерешенных загадок физики.

Нитта и Минору Это из WPI-SKCM2 Университета Хиросимы, института, созданного для изучения узловых и киральных явлений в различных масштабах и дисциплинах, совместно с Ю Хамадой из Немецкого электронного синхротрона в Германии, считают, что они нашли ответ, который скрывается на самом видном месте.

Объединив измеренную симметрию барионного числа минус лептонное число (B-L) с симметрией Печчеи–Куинна (PQ), команда показала, что узлы могли естественным образом формироваться в ранней Вселенной и генерировать наблюдаемый избыток.

Это также является профессором Университета Ямагата, и все трое исследователей работают в Университете Кейо в Японии.

Призрачные частицы

Эти два давно изученных дополнения стандартной модели устраняют некоторые из ее наиболее загадочных пробелов. Симметрия PQ решает проблему сильного CP, загадку того, почему эксперименты не обнаруживают крошечный электрический дипольный момент, который теория предсказывает для нейтрона, и в процессе вводит аксион, ведущего кандидата в темную материю. Между тем, симметрия B–L объясняет, почему нейтрино, призрачные частицы, которые могут незамеченными проскальзывать сквозь целые планеты, обладают массой.

Сохранение глобальной симметрии PQ, а не ее измерение, позволяет сохранить тонкую аксионную физику, которая решает проблему сильного CP. В физике "измерение" симметрии означает, что она может свободно действовать в любой точке пространства-времени. Но за эту локальную свободу приходится платить. Чтобы сохранить согласованность, природа должна ввести новый носитель силы, который сгладит уравнения.

Измерив симметрию B–L, исследователи не только гарантировали наличие тяжелых правосторонних нейтрино, что необходимо для того, чтобы теория не содержала аномалий и занимала центральное место в ведущих моделях бариогенеза, но и продемонстрировали сверхпроводящее поведение, которое обеспечило магнитную основу для, возможно, некоторых из самых ранних узлов Вселенной.

Извивающиеся космические реликты

Когда Вселенная остыла после Большого взрыва, ее симметрия нарушилась в результате серии фазовых переходов и, подобно неравномерному замерзанию льда, возможно, оставила после себя нитевидные дефекты, называемые космическими струнами, гипотетические трещины в пространстве-времени, которые, по мнению многих космологов, все еще могут существовать. Несмотря на то, что один дюйм нитей тоньше протона, они могут перевесить горы.

По мере расширения космоса извивающаяся паутина из этих нитей растягивалась и запутывалась, неся на себе отпечаток первобытных условий, которые когда-то преобладали.

Нарушение симметрии B–L привело к образованию струн магнитных трубок, в то время как симметрия PQ привела к появлению сверхтекучих вихрей без потока. Именно их контраст делает их совместимыми.

Флюсовая трубка B-L обеспечивает надежную фиксацию муфты Черна–Саймонса PQ superfluid vortex. А соединение, в свою очередь, позволяет сверхтекучему вихревому насосу PQ заряжать трубку B-L, устраняя натяжение, которое обычно приводит к разрыву петли. В результате получилась метастабильная, топологически замкнутая конфигурация, называемая узловым солитоном.

"Никто не изучал эти две симметрии одновременно", - сказал Нитта. "Нам в некотором роде повезло. Сопоставив их, мы обнаружили устойчивый узел".

Призрачные барьерные переходы

В то время как излучение теряло энергию по мере того, как его волны растягивались в пространстве-времени, узлы вели себя как материя, тая гораздо медленнее. Вскоре они превзошли все остальное, положив начало эпохе, когда космосом управляла плотность энергии, а не излучения. Но это правление продлилось недолго.

Узлы в конечном счете распутались с помощью квантового туннелирования, процесса, похожего на фантом, в котором частицы проскальзывают сквозь энергетические барьеры, как будто их там вообще нет.

Их коллапс породил тяжелые правосторонние нейтрино, что является следствием B-L симметрии, встроенной в их структуру. Затем эти массивные призрачные частицы распались на более легкие и стабильные формы с небольшим преобладанием вещества над антивеществом, что дало нам ту вселенную, которую мы теперь знаем.

"По сути, этот коллапс порождает множество частиц, включая правосторонние нейтрино, скалярные бозоны и калибровочный бозон, подобно ливню", - объясняет соавтор исследования Хамада.

"Среди них правосторонние нейтрино являются особенными, потому что их распад может естественным образом привести к дисбалансу между веществом и антивеществом. Эти тяжелые нейтрино распадаются на более легкие частицы, такие как электроны и фотоны, создавая вторичный каскад, который разогревает Вселенную".

"В этом смысле, - добавил он, - они являются родителями всей материи во Вселенной сегодня, включая наши собственные тела, в то время как узлы можно считать нашими прародителями".

Связывая это воедино

Когда исследователи следовали математическим расчетам, заложенным в их модели, — насколько эффективно узлы генерировали правосторонние нейтрино, насколько массивными были эти нейтрино и насколько горячим был космос после их распада, - дисбаланс вещества и антивещества, который мы наблюдаем сегодня, естественным образом вытекал из уравнения.

Изменив формулу и введя реалистичную массу тяжелых правосторонних нейтрино в 1012 гигаэлектронвольт (ГэВ) и предположив, что узлы направляют большую часть своей накопленной энергии на создание этих частиц, модель, естественно, достигла температуры повторного нагрева в 100 ГэВ.

Эта температура, по совпадению, является последним периодом для образования материи во Вселенной. Еще немного похолодает, и электрослабые реакции, которые преобразуют нейтринный дисбаланс в материю, прекратятся навсегда.

Повторный нагрев до 100 ГэВ также изменил бы форму хора гравитационных волн Вселенной, настроив его в сторону более высоких частот. Будущие обсерватории, такие как космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA) в Европе, Космический исследователь (Cosmic Explorer) в Соединенных Штатах и гравитационно-волновая обсерватория с интерферометром Дециго (DECIGO) в Японии, однажды смогут уловить это едва уловимое изменение мелодии.

"Космические струны - это своего рода топологический солитон, объекты, определяемые величинами, которые остаются неизменными независимо от того, насколько сильно вы их скручиваете или растягиваете", - сказал Это.

"Это свойство не только обеспечивает их стабильность, но и означает, что наш результат не привязан к особенностям модели. Несмотря на то, что работа все еще носит теоретический характер, лежащая в ее основе топология не меняется, поэтому мы рассматриваем это как важный шаг на пути к будущим разработкам".

Хотя Кельвин первоначально предполагал, что узлы являются фундаментальными строительными блоками материи, исследователи утверждали, что их результаты "впервые дают реалистичную модель физики элементарных частиц, в которой узлы могут играть решающую роль в происхождении материи".

"Следующим шагом является уточнение теоретических моделей и имитационного моделирования, чтобы лучше предсказывать образование и распад этих узлов и связывать их сигнатуры с сигналами наблюдений", - сказал Нитта.

"В частности, предстоящие гравитационно-волновые эксперименты, такие как LISA, Cosmic Explorer и DECIGO, смогут проверить, действительно ли Вселенная прошла через эпоху, когда доминировали узлы".

Исследователи надеются выяснить, были ли узлы существенны для происхождения материи, и, таким образом, связать воедино более полную историю возникновения Вселенной.

Источник