З точки зору фізики матерія й антиматерія мають абсолютно рівні «права на існування». Та в нашому світі нас оточує майже виключно матерія, у той час як її протилежність утворюється вкрай рідко в ході деяких ядерних реакцій. Також її можна отримати штучно у прискорювачах елементарних частинок, витративши на це багато енергії. Звідки взявся такий «перекіс» у бік одного з типів речовини? На це питання спробували відповісти співробітники Каліфорнійського університету в Ріверсайді разом із колегами з Університету Цінхуа в Китаї. Про результати їхнього спільного дослідження, опубліковані в журналі Physical Review Letters, розповідає видання The Universe. Space. Tech.
Згідно з сучасними уявленнями, в перші миті свого існування Всесвіт був наповнений рівною кількістю частинок матерії та антиматерії. Останні мають таку саму масу, як їхні матеріальні аналоги, але протилежний електричний заряд, а у випадку нейтронів і нейтрино — протилежний спін. З часом простір розширювався, речовина в ньому охолоджувалася, і «нормальні» частинки отримали можливість взаємодіяти з античастинками, тобто анігілювати з повним перетворенням сумарної маси на енергію. Але у підсумку одного типу частинок виявилося трошечки більше. У цій «трошецчі» (згідно з розрахунками, вона складає приблизно одну стомільйонну від загальної первісної маси Всесвіту) ми зараз і живемо. З неї складаються всі зорі, планети, галактики, міжзоряна та міжгалактична речовина — все, що астрономи реєструють під час спостережень у всіх діапазонах електромагнітних хвиль від радіо до гамма-випромінювання.
В наші часи вчені будують надпотужні колайдери, де в умовах надвисоких енергій стикаються субатомні елементарні частинки. Найвідомішим із цих пристроїв є, безперечно, Великий адронний колайдер. Під час таких зіткнень утворюються ще важчі нестабільні частинки, дослідження яких дозволяє більше дізнатися про природу матерії. Але ж у ранньому Всесвіті умови були ще жорсткішими, густина речовини — більшою, а енергія зіткнень — у мільярди разів вищою. Фактично тоді «працював» найпотужнішій з усіх можливих колайдерів, утворюючи набагато важчі частинки. Вони й могли стати відповідальними за майбутню «всесвітню асиметрію».
Завдяки своїй великій масі ці частинки утворили перші збурення в однорідній до того первісній матерії. На певній стадії еволюції Всесвіту, як зараз вважається, він пережив інфляцію — коротке, але всеосяжне розширення зі швидкістю, що багатократно перевищує швидкість світла. Всі неоднорідності, які в ньому встигли виникнути до цього моменту, відразу набули космологічних масштабів і пізніше стали «зародками» майбутніх концентрацій речовини, з яких далі утворилися зірки, галактики й уся великомасштабна структура нашого світу.
Автори статті припустили, що, досліджуючи цю великомасштабну структуру нашого Всесвіту, яка сьогодні проявляється, наприклад, як розподіл галактик по небу і картина неоднорідностей температури реліктового мікрохвильового випромінювання, нам удасться «розшифрувати» фізику важких субатомних частинок. А далі, знаючи її, можна перейти до фізики легших частинок — так званих лептонів. Саме на їхньому рівні й починається матеріально-антиматеріальна асиметрія. Особливо важливими в цьому сенсі є механізми появи так званого правобічного нейтрино.
«Той факт, що в нашому Всесвіті домінує матерія, лишається однією з найбільш заплутаних і давніх таємниць сучасної фізики, — пояснює предмет своїх досліджень Яну Куї з Каліфорнійського університету в Ріверсайді. — Тонкий дисбаланс або асиметрія між матерією й антиматерією в ранньому Всесвіті є необхідним для досягнення сьогоднішнього домінування матерії, але він не може бути реалізований у межах відомих закономірностей фундаментальної фізики».
Однією з можливостей зазирнути «за лаштунки» цих процесів є дослідження лептогенезу — синтезу легких елементарних частинок, найвідомішими з яких є електрони. Довгий час це вважалося неможливим, хоча б тому, що маса правобічного нейтрино на багато порядків перевищує спроможність найпотужніших із будь-коли збудованих колайдерів. Але, якщо вважати таким колайдером первісний Всесвіт, ми можемо дізнатися багато цікавого про появу таких нейтрино шляхом аналізу розподілу галактик і «візерунку» температури мікрохвильового випромінювання.
«Умови для генерації асиметрії, включно з взаємодією та масою правобічного нейтрино… можуть залишити характерні відбитки у статистиці просторового розподілу галактик або космічного мікрохвильового фону, які можна точно виміряти, — пояснив учений. — Астрофізичні спостереження, що будуть проведені найближчими роками, потенційно можуть виявити такі сигнали та розгадати космічне походження матерії».
Як зауважує в підсумку своєї статті група дослідників, застосування фізики космологічного колайдера стане можливим після завершення майбутніх астрофізичних експериментів — таких, як SPHEREx. Вони нададуть нам більш точні дані про структуру нашого Всесвіту, й ми ще на крок наблизимося до розгадки таємниці походження матерії.