Тайна исчезнувшей антиматерии: почему мы существуем?

Одна из самых фундаментальных и любопытных загадок Вселенной заключается в том, что она вообще существует. Дело в том, что во время Большого взрыва должно было образоваться равное количество частиц материи и антиматерии. Антиматерия — это как бы «противоположность» обычной материи, состоящая из антипротонов и антиэлектронов. А когда частицы материи и антиматерии встречаются, они взаимно аннигилируют, превращаясь в энергию.

Это означает, что во Вселенной, разделенной на материю и антиматерию, крупные структуры, такие как галактики, звезды, планеты, луны и даже наши тела, с трудом могли бы существовать. Следовательно, какой-то ранний каприз природы должен был устранить антиматерию, позволив процветать космосу, где доминирует материя. Ученые уже давно ведут активные поиски доказательств того, чем именно могло быть это событие.

И здесь на сцену выходит Никодем Поплавский, польский физик-теоретик из Университета Нью-Хейвена. Поплавский предполагает, что асимметрия материи и антиматерии возникла потому, что крошечные первичные черные дыры, образовавшиеся во время Большого взрыва, поглотили огромные количества антиматерии.

«Первичные черные дыры — это гипотетические черные дыры, которые сформировались вскоре после Большого взрыва из-за экстремальных флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Они являются хорошими кандидатами на роль «зародышей» сверхмассивных черных дыр в центрах массивных галактик, а также черных дыр средней массы в центрах шаровых скоплений», — рассказал Поплавский порталу Space.com. — «Существуют и другие модели, объясняющие исчезновение антиматерии, но все они предполагают наличие физики за пределами Стандартной модели физики частиц».

«Асимметрия масс между материей и антиматерией была неожиданной, но она сразу подсказала мне, что это может быть простой и естественной причиной наблюдаемого дисбаланса между материей и антиматерией во Вселенной».

Была ли антиматерия «обузой» в ранней Вселенной?

Поплавский объяснил, что существуют также неизвестные процессы, нарушающие баланс между семейством частиц, называемых барионами, и их антиматериальными аналогами — антибарионами.

«Асимметрия масс и вытекающая из нее асимметрия захвата черными дырами создали дисбаланс между материей и антиматерией в наблюдаемой Вселенной, не нарушая закон сохранения барионного числа и не привлекая новую физику за пределами Стандартной модели», — пояснил Поплавский.

Исследователь утверждает, что, поскольку частицы антиматерии массивнее, чем частицы материи, во время рождения пар в ранней Вселенной античастицы двигались медленнее, чем соответствующие частицы материи.

«Поскольку вероятность гравитационного захвата массивной частицы черной дырой возрастает с уменьшением ее скорости, античастицы захватывались черными дырами с большей частотой, чем соответствующие частицы материи, — сказал Поплавский. — Недостающая антиматерия упала в первичные черные дыры, а та, что не упала, аннигилировала с материей».

Это могло бы объяснить и другую проблему космологии, которая стала особенно острой с тех пор, как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) начал обнаруживать сверхмассивные черные дыры, существовавшие уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Проблема в том, что ранее считалось, что процесс слияния и аккреции, позволяющий сверхмассивным черным дырам вырастать до масс, в миллионы или даже миллиарды раз превышающих массу Солнца, занимает не менее миллиарда лет. Обнаружение таких объектов, когда Вселенной еще не исполнилось и миллиарда лет, представляет собой серьезную загадку.

Поплавский считает, что, пожирая антиматерию, первичные черные дыры могли получить значительную фору в процессах своего роста.

«Первичные черные дыры поглощали больше антиматерии, чем материи, а поскольку антиматерия была намного тяжелее материи, это колоссально увеличивало их массу, — пояснил он. — Это могло бы объяснить, как сверхмассивные черные дыры, недавно обнаруженные в ранней Вселенной, смогли вырасти так быстро».

Конечно, до того, как эта теория будет принята научным сообществом в целом, предстоит пройти долгий путь. Одним из факторов, который мог бы способствовать ее признанию, является получение наблюдательных доказательств существования первичных черных дыр, которые с момента их первого предположения Стивеном Хокингом в 1970-х годах остаются, как назло, гипотетическими.

«Первичные черные дыры существовали в очень ранней Вселенной, изучать которую в настоящее время крайне сложно. Я надеюсь, что гравитационные волны и нейтрино, возможно, будут использованы в будущем для проверки этой гипотезы, — сказал Поплавский. — Кроме того, в будущем могут появиться эксперименты, проверяющие, могут ли частицы материи и антиматерии иметь немного разные массы при более высоких плотностях или на меньших расстояниях по сравнению с теми, что изучаются сейчас. В самом деле, некоторые недавние эксперименты показали, что мезоны и антимезоны распадаются по-разному. Это различие может быть связано с асимметрией масс материи и антиматерии».

Исследование Поплавского доступно на сервере препринтов arXiv.