Miliard do jednego. Nierozwiązana zagadka współczesnej fizyki
Zgodnie z obowiązującymi teoriami, Wielki Wybuch powinien był stworzyć idealnie symetryczny wszechświat. Równych ilości cząstek i antycząstek miało wystarczyć do ich wzajemnej anihilacji, pozostawiając po sobie jedynie morze promieniowania. Tymczasem rzeczywistość prezentuje się zupełnie inaczej: na każdy miliard par materia-antymateria przetrwała jedna dodatkowa cząstka zwykłej materii. To właśnie z tego znikomego nadmiaru zbudowane są wszystkie galaktyki, gwiazdy i ostatecznie my sami. Model Standardowy, będący fundamentem współczesnej fizyki cząstek, kompletnie nie radzi sobie z wyjaśnieniem tej asymetrii. Jego przewidywania są niewystarczające, co sprawia, że zagadka barionogenezy, czyli pochodzenia nadmiaru materii, pozostaje otwartym problemem.
Czytaj też: Skąd biorą się najcięższe pierwiastki we wszechświecie. Naukowcy właśnie rozwiązali kosmiczną zagadkę
To badanie dotyka jednej z najbardziej fundamentalnych zagadek fizyki: dlaczego wszechświat składa się z materii, a nie z antymaterii. To pytanie jest ważne, ponieważ bezpośrednio dotyka tego, dlaczego w ogóle istnieją gwiazdy, galaktyki i my sami – zauważa Muneto Nitta z Uniwersytetu Hiroszimy
Połączenie dwóch symetrii i narodziny stabilnych struktur
Przełom nastąpił, gdy zespół z Hiroszimy postanowił zbadać równocześnie dwie fundamentalne symetrie fizyczne. Symetria B-L (różnica między liczbą barionową a leptonową) tłumaczy masę neutrin – nieuchwytnych cząstek przenikających przez materię niemal bez interakcji. Z kolei symetria Peccei-Quinn rozwiązuje problem silnego CP i wprowadza do gry aksjony, uważane za głównego kandydata na ciemną materię. Połączenie tych dwóch koncepcji w jednym modelu teoretycznym przyniosło zaskakujący rezultat. Gdy wczesny wszechświat ochładzał się, mogły w nim powstać struny kosmiczne – hipotetyczne defekty w strukturze czasoprzestrzeni. Złamanie symetrii B-L wytworzyło struny przenoszące strumień magnetyczny, podczas gdy symetria PQ prowadziła do powstania nadciekłych wirów.
Nikt nie badał tych dwóch symetrii jednocześnie. To było dla nas swego rodzaju szczęście. Połączenie ich ujawniło stabilny węzeł – dodaje Nitta
Połączenie strun B-L z wirami PQ umożliwiło powstanie solitonów węzłowych – metastabilnych konfiguracji topologicznych. Rurka strumienia B-L zapewniała wirowi PQ punkt zaczepienia, zaś sprzężenie między nimi pozwalało na pompowanie ładunku, co zapobiegało rozerwaniu struktury.
Epoka zdominowana przez węzły i mechanizm tworzenia materii
We wczesnym wszechświecie kosmiczne węzły zachowywały się inaczej niż promieniowanie. Podczas gdy fale elektromagnetyczne traciły energię wraz z rozszerzaniem się czasoprzestrzeni, węzły zanikały znacznie wolniej, zachowując się podobnie do materii. Wkrótce ich gęstość energii przewyższyła wszystkie inne składniki wszechświata, wprowadzając erę zdominowaną przez węzły. Ten stan nie trwał wiecznie. Węzły ostatecznie rozplątywały się poprzez tunelowanie kwantowe, czyli zjawisko pozwalające cząstkom pokonywać bariery energetyczne. Proces ten generował prawdziwy deszcz cząstek, w tym ciężkie neutrina prawoskrętne, bozony skalarne i bozony cechowania.
Zasadniczo, ten rozpad wytwarza wiele cząstek, w tym neutrina prawoskrętne, bozony skalarne i bozony cechowania, niczym deszcz cząstek. Wśród nich, neutrina prawoskrętne są szczególne, ponieważ ich rozpad może naturalnie generować nierównowagę między materią a antymaterią – podkreśla Yu Hamada z Deutsches Elektronen-Synchrotron
Ciężkie neutrina prawoskrętne o masie około 10^12 gigaelektronowoltów okazały się kluczowe. Ich rozpad na lżejsze cząstki tworzył kaskadę z lekkim odchyleniem na korzyść materii. Obliczenia wskazują, iż energia uwolniona podczas rozpadu węzłów podgrzała wszechświat do dokładnie 100 GeV – wartości krytycznej dla utrwalenia powstałej nierównowagi.
Fale grawitacyjne jako świadkowie dawnych wydarzeń
Jeśli teoria znajduje potwierdzenie w rzeczywistości, era zdominowana przez węzły powinna pozostawić po sobie charakterystyczny ślad. Ponowne ogrzanie wszechświata do 100 GeV zmieniłoby widmo fal grawitacyjnych, przesuwając je w kierunku wyższych częstotliwości. To subtelna modyfikacja w kosmicznej symfonii, która trwa od miliardów lat. Nadchodzące obserwatoria fal grawitacyjnych mogą być w stanie wykryć ten sygnał. LISA w Europie, Cosmic Explorer w USA i DECIGO w Japonii będą nasłuchiwać ech najwcześniejszych chwil istnienia kosmosu. To rzadka okazja w fizyce teoretycznej, gdzie zazwyczaj brakuje możliwości eksperymentalnej weryfikacji hipotez.
Czytaj też: Wreszcie dowiemy się, czy 3I/ATLAS to statek kosmitów. Słynny naukowiec mówi, co może się wydarzyć
Topologiczny charakter węzłów oznacza, że uzyskane wyniki nie zależą od szczegółów konkretnego modelu. Podstawowa matematyka pozostaje niezmienna, co czyni tę koncepcję szczególnie atrakcyjną. Opublikowane w Physical Review Letters badanie otwiera nową ścieżkę do zrozumienia pochodzenia materii, łącząc historyczną ideę z najnowszymi osiągnięciami fizyki teoretycznej.