Физики считают, что космические узлы спасли Вселенную от пустоты
В 1867 году лорд Кельвин предположил, что атомы — это крошечные узелки в невидимом эфире. Идея оказалась ошибочной, но спустя 158 лет японские физики из Института Хиросимы ее оживили. Они показали, что в первые мгновения после Большого взрыва могли возникнуть настоящие космические узлы — устойчивые завязки в полях, которые на короткое время стали главной энергией Вселенной и создали избыток материи над антиматерией.
Две симметрии, которые все изменили
Авторы объединили две давно изучаемые симметрии, каждая из которых решает отдельные загадки Стандартной модели.
Первая — PQ-симметрия (Пекчи–Куинн) — объясняет, почему нейтрон не обладает предсказанным теорией крошечным электрическим диполем. Проще говоря, эта симметрия «уравновешивает» электрические свойства частиц. Ее следствие — появление аксионов, очень легких частиц, которые идеально подходят на роль темной материи, составляющей около 85 % всей массы космоса. Можно представить аксионы как «невидимые кирпичики», из которых складывается большая часть Вселенной.
Вторая — BL-симметрия (барион минус лептон) — отвечает за массу нейтрино и порождает тяжелые правые нейтрино. Эти частицы важны для бариогенеза — процесса, благодаря которому материя в космосе стала преобладать над антиматерией. Проще говоря, BL-симметрия объясняет, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, словно дает «матери» фору в гонке с антиматерией.
«Никто не изучал эти две симметрии одновременно. Нам повезло. Соединив их, мы обнаружили устойчивый узел», — говорит ведущий автор Мунето Нитта.
Как рождаются космические струны и узлы
После Большого взрыва Вселенная остывала, симметрии ломались, как лед на озере. Трещины — это космические струны, тонкие дефекты толщиной меньше протона, но с массой горы на дюйм длины.
PQ дает сверхтекучие вихри, BL — магнитные трубки. Они сплетаются в узлы, устойчивые благодаря топологии — математической форме, которую нельзя распутать без разрыва, как завязку на морском узле.
Эпоха доминирования узлов
Узлы копили энергию, пока не стали главной силой в крошечной Вселенной размером с футбольный мяч. Потом распадались через квантовое туннелирование — как частица проходит сквозь стену, не тратя энергию. При распаде рождались тяжелые правые нейтрино, которые предпочитали материю антиматерии.
«По сути, этот коллапс порождает множество частиц, включая правые нейтрино, скалярные бозоны и калибровочные бозоны, подобно ливню. Среди них правые нейтрино особенны, поскольку их распад может естественным образом создавать дисбаланс между материей и антиматерией.
Эти тяжелые нейтрино распадаются на более легкие частицы, такие как электроны и фотоны, создавая вторичный каскад, который снова разогревает Вселенную. В этом смысле они являются родителями всей материи во Вселенной сегодня, включая наши собственные тела, в то время как узлы можно считать нашими бабушками и дедушками», — объясняет соавтор Ю Хамада.
Бариогенез в цифрах
Без узлов материя и антиматерия уничтожили бы друг друга, и Вселенная осталась бы заполненной только светом. Модель создает нужный перекос — примерно одна частица материи на миллиард пар «материя–антиматерия». Если узлы передавали энергию сверхтяжелым нейтрино с массой порядка 10¹²–10¹³ ГэВ (ГэВ — гигаэлектронвольт, единица энергии, которую физики используют и для измерения массы частиц), то температура повторного разогрева достигала примерно 100 ГэВ. Эти значения хорошо подходят для бариогенеза — процесса, в котором формируются барионы вроде протонов и нейтронов, и материя получает преимущество.
Как проверить теорию
Распад узлов оставляет гравитационные волны — уникальный сигнал на высоких частотах. Детекторы LISA (Европа), Cosmic Explorer (США) и DECIGO (Япония) могут их поймать через 10–20 лет.
«Следующий шаг — уточнить теоретические модели и симуляции, чтобы лучше предсказывать образование и распад этих узлов, а также связать их характеристики с наблюдаемыми сигналами», — говорит Нитта.
Почему это важно для физики
Модель сразу закрывает три большие проблемы современной физики. Она дает решение сильной CP-загадки, объясняет, почему нейтрино имеют массу, и предлагает естественного кандидата на темную материю. Если ее удастся подтвердить, мы наконец поймем, почему во Вселенной доминирует именно материя, а не антиматерия. В этом сценарии космические узлы становятся своеобразным мостом между Стандартной моделью и физикой за ее пределами — причем таким, который можно проверить в экспериментах и наблюдениях.
