Один из самых загадочных вопросов современной космологии — почему Вселенная вообще наполнена материей. Проблема в том, что почти все реакции фундаментальных частиц приводят к образованию точного количества частиц материи и антиматерии, которые затем аннигилируют друг с другом во вспышках энергии. Но во Вселенной в изобилии присутствует материя и очень мало антиматерии. Так почему же в ранней Вселенной все просто не исчезло?
Эта проблема известна как бариогенез, и ведущая гипотеза состоит в том, что какой-то неизвестный процесс привел к дисбалансу материи над антиматерией в первые мгновения Большого взрыва. Но что это мог быть за процесс?
Новое исследование предполагает, что ответ может лежать в призрачных маленьких частицах, известных как нейтрино. Исследование было опубликовано 18 декабря на сервере препринтов arXiv и еще не прошло рецензирование.
Существует три разновидности нейтрино, и все они обладают причудливыми свойствами. Например, у них совсем немного массы, гораздо меньше, чем даже масса электронов. Кроме того, все они «левосторонние», то есть их внутренние спины при движении ориентируются только в одном направлении, в отличие от всех других частиц, которые могут ориентироваться в обоих направлениях.
Это привело к предположениям, что могут существовать еще разновидности нейтрино, которые мы пока не обнаружили, — правосторонние аналоги известных нейтрино. Это связано с тем, что взаимодействие между лево- и правосторонними разновидностями нейтрино может привести к появлению у них массы.
Расколотая Вселенная
В своей последней работе исследователи предложили модель, в которой существуют два вида правосторонних нейтрино, обладающих очень большими массами. Модель показала, что в самые ранние моменты существования Вселенной лево- и правосторонние нейтрино находились в идеальном равновесии. Но по мере расширения и охлаждения космоса этот баланс нарушился, что привело к нарушению симметрии, в результате чего левосторонние нейтрино приобрели свою массу, а правосторонние исчезли из поля зрения.
Но модель исследователей показала, что этот катаклизмический сдвиг имел и другие последствия. Во-первых, поскольку нейтрино взаимодействуют с другими частицами, нарушение их симметрии вызвало цепную реакцию, которая нарушила хрупкий баланс между материей и антиматерией. Во-вторых, правосторонние нейтрино смешались вместе и создали совершенно новую частицу, названную майораном. Майоран — это гипотетическая частица, которая является собственной античастицей, и расчеты исследователей показали, что эта частица должна была быть создана в изобилии в хаосе ранней Вселенной.
Майоран сохранился бы как пережиток тех древних времен, составляя большую часть массы каждой галактики, но оставаясь невидимым и неуловимым. Другими словами, он стал бы кандидатом на роль темной материи, таинственного скрытого вещества, заполняющего космос.
Это смелое, но всеобъемлющее предложение. По мнению исследователей, единый механизм мог бы объяснить странные свойства нейтрино, бариогенез, приведший к преобладанию материи во Вселенной, и появление загадочной темной материи.
На сегодняшний день не существует экспериментальных доказательств существования каких-либо правосторонних нейтрино, не говоря уже о чем-то еще более экзотическом, как майоран. Но исследователи предсказывают, что если майоран существует, то он может находиться в диапазоне обнаруживаемости ряда нейтринных экспериментов, таких как Super-Kamiokande и Borexino — двух подземных нейтринных детекторов, расположенных в Японии и Италии соответственно. Только время покажет, найдет ли один из этих экспериментов новый сигнал, который соответствует этой гипотезе, но если это произойдет, мы, возможно, окажемся на пути к решению ряда космологических загадок.
Это открытие потенциально может изменить наше понимание фундаментальных аспектов физики и космологии. Исследование роли правосторонних нейтрино и их взаимодействия с материей поднимает множество новых вопросов о структуре и эволюции Вселенной.
Одним из ключевых аспектов модели является то, как правосторонние нейтрино могли бы влиять на взаимодействия с другими элементарными частицами, что в свою очередь оказало бы значительное влияние на процесс бариогенеза. Если эта модель подтвердится, она может не только объяснить существование материи, но и прояснить механизм, благодаря которому формировались галактики и другие астрономические структуры в ранней Вселенной.
Кроме того, существование майоранов может быть не только теоретическим предложением, но и иметь практическое значение для будущих экспериментов. Научные сообщества по всему миру уже озабочены поисками среди предполагаемых частиц темной материи, и открытие майорана могло бы стать ключевым моментом в этом поиске. Учитывая, что темная материя составляет значительную часть массы Вселенной, понимание ее природы является одной из главных задач в физике.
Исследования в области нейтрино также открывают двери для новых технологий и методов детекции. Подземные установки, такие как Super-Kamiokande и Borexino, выстраивают свою конструкцию таким образом, чтобы уловить редкие взаимодействия с нейтрино и, возможно, обнаружить признаки существования майорана. Это может привлечь внимание не только астрономов, но и физиков высоких энергий, работающих в крупных ускорителях частиц.
Помимо вышеизложенного, возникновение правосторонних нейтрино приводит к возможному пересмотру Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта модель традиционно не включает в себя частиц, которые могли бы быть собственной античастицей, поднимая тем самым вопросы о её полноте. Если правосторонние нейтрино окажутся реальными, это означает, что наша текущая карта элементарных частиц требует значительного пересмотра.
Важно отметить, что на данный момент это предположение еще не имеет полной экспериментальной поддержки, и следующее десятилетие может стать решающим для подтверждения или опровержения этих идей. Учёные уже предлагают новые эксперименты и стратегии, которые могли бы помочь обнаружить эти неуловимые частицы. Ожидание новых данных и возможностей открывает перед астрофизиками и теоретиками захватывающие перспективы.
Таким образом, работа, представленная в этом исследовании, возможно, указывает на то, что мы стоим на пороге важнейших открытий в нашем понимании мироздания. Принципы, связанные с нейтрино и их темной материей, обещают вывести нас на новый уровень знания о природе ручного наследия и динамике Вселенной. Путь к этим открытиям может быть долгим и трудным, но каждая новая находка, новая теория и новое равновесие могут привести к тому, что мы поймем, как устроен мир вокруг нас.
