Таинственный « удар » сразу после Большого взрыва мог создать темную материю

Одна из давних загадок Вселенной — почему что-то вообще существует.

Это потому, что сегодня во Вселенной материя и ее антивещество должны образовываться в равных количествах, и тогда эти два противоположно заряженных типа материи аннигилируют друг друга при контакте. Таким образом, вся материя во Вселенной должна была исчезнуть, как только она образовалась, нейтрализуя себя при контакте со своим аналогом из антивещества.

Но этого не произошло. Новое исследование выдвигает гипотезу о том, что на раннем этапе существования Вселенной произошел таинственный «толчок», в результате которого образовалось больше материи, чем антивещества, что привело к сегодняшнему дисбалансу. И этот дисбаланс, возможно, также привел к созданию темной материи, таинственной субстанции, которая притягивает все остальное, но не взаимодействует со светом.

Совпадение или заговор?

Мы не знаем, что такое темная материя, но определенно она существует. Он составляет около 80% всей материи во Вселенной, что намного превышает количество звезд, галактик, пыли и газа, которые мы видим.

И хотя темная материя, безусловно, является тяжеловесом в нашей Вселенной, это, как ни странно, не так уж и много доминирующего фактора. Обычно в физике, когда один процесс доминирует над взаимодействием, он действительно берет верх. Если в игру не вступает другая физика, две конкурирующие силы редко уравновешиваются. Например, когда силы гравитации и электромагнетизма конкурируют внутри гигантской звезды, в конечном итоге гравитация всегда побеждает, и звезда коллапсирует. Так что тот факт, что темная материя составляет 80% массы Вселенной, а не 99,99999%, а обычная материя составляет 20%, а не ноль, кажется физикам странным. Разделение 80/20 не кажется очевидным, даже когда речь идет, скажем, о распределении выигрышей в лото, но для астронома эти две суммы практически одинаковы.

Проблема усугубляется тем, что, насколько нам известно, образование регулярной материи и темной материи не имели абсолютно ничего общего друг с другом. Мы не имеем ни малейшего представления о том, как темная материя возникла в ранней Вселенной, но чем бы она ни была, в настоящее время она выходит за рамки известной физики.

А регулярное дело? Это совсем другой котел с частицами. В чрезвычайно ранней Вселенной (когда она была второй) физики подозревают, что обычная материя находилась в идеальном балансе с антивеществом (которое такое же, как обычное вещество, но с противоположным электрическим зарядом). Мы подозреваем, что это даже расщепление, потому что мы видим, что сегодня в наших коллайдерах частиц проявляется такая симметрия, которая может воспроизводить экстремальные условия ранней Вселенной: если у вас есть высокоэнергетическая реакция, которая генерирует обычную материю, у нее есть равные шансы вместо этого генерируя антивещество.

Но в какой-то момент (мы точно не знаем, когда, но, скорее всего, это произошло, когда Вселенной было меньше минуты), баланс между материей и антивеществом сместился, и обычная материя затопила Вселенную, оставив антивещество безвестным.

Итак, с одной стороны, мы имеем дело с массовым нарушением симметрии, которое привело к победе обычной материи над антивеществом. С другой стороны, мы имеем дело с совершенно загадочным событием, которое привело к тому, что темная материя стала доминирующей, но не сверхдоминантной формой материи во Вселенной. Возможно, эти два процесса связаны, и рождение темной материи было связано с победой. В новом исследовании говорится, что материи важнее антивещества.

Добыча голдстоуна

В исследовании, опубликованном в Интернете 29 декабря 2020 г., в базе данных препринтов arXiv и еще не прошедшие экспертную оценку, исследователи делают это утверждение, полагаясь на то, что называется симметрией барионного числа. Барионы — это все частицы, состоящие из кварков (таких как протоны и нейтроны). Симметрия просто утверждает, что количество барионов, вступающих во взаимодействие, должно быть равно количеству выходящих из него. (Им разрешено менять личность, но общее количество должно быть таким же.) Такая же симметрия сохраняется и для реакций с участием антикварков.

Эта симметрия царит во всех наших экспериментах в современной Вселенной, но она, должно быть, была нарушена в раннем космосе — вот как мы закончили с большим количеством материи, чем антивещества.

А в физике каждый раз, когда нарушается симметрия природы, появляется новый вид частиц, известный как «бозон Голдстоуна», чтобы принудительно нарушить симметрию. (В современной Вселенной, например, пион — это разновидность бозона Голдстоуна, который появляется при нарушении симметрии сильного ядерного взаимодействия.)

Возможно, темная материя — это своего рода бозон Голдстоуна, связанный с нарушением симметрии барионных чисел в раннем космосе, предполагает исследование.

Удар по банке

Исследователи, стоящие за этой идеей, называют это «ударом». В наших экспериментах симметрия барионного числа никогда не нарушалась, но что-то захватывающее должно было случиться в ранней Вселенной. Это было жестокое, но непродолжительное событие, в результате которого было уничтожено почти все антивещество. И какое бы экзотическое сочетание условий ни произошло, симметрия барионного числа нарушилась, и появился новый бозон Голдстоуна.

Итак, думают, что во время этого необычного события Вселенная была затоплена частицами темной материи. Но затем все условия, которые привели к нарушению симметрии, закончились, и Вселенная вернулась к нормальному состоянию. К тому времени, однако, было уже слишком поздно; темная материя — и все остальное — остались.

Итак, после той первой эпической минуты в истории Вселенной, когда во Вселенную вернулась симметрия, темная материя была отнесена к тени, чтобы никогда больше не взаимодействовать с нормальной материей.

И причина того, что существует (очень примерно) одинаковое количество темной и обычной материи, заключается в том, что они были связаны между собой, утверждает исследование. Новая модель не предсказывает точное разделение 80/20 между темной и нормальной материей. Но это предполагает, что причина того, что темная материя и нормальная материя находятся в примерно равном балансе, заключается в том, что они возникли в одном и том же событии.

Это очень чистая и интригующая идея, но она все еще не объясняет, как именно произошло это раннее нарушение симметрии. Но это для другой статьи.

В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.

⏬

Поделитесь в вашей соцсети👇