Ми можемо створити матерію з енергії в лабораторії. Прискорювачі частинок роблять це постійно. Коли ми це робимо, половина створеного — матерія, а інша половина — антиматерія. У фізиці існує симетрія, яка вимагає, щоб матерія і антиматерія з’являлися в рівних кількостях. Але коли ми дивимося на всесвіт, ми бачимо матерію. Отже, як Великий вибух створив усю матерію, яку ми бачимо, не створивши рівної кількості антиматерії? Відповіддю можуть бути нейтрино.
Матерія і антиматерія схожі на космічних близнюків. Для кожного типу частинок матерії існує відповідна частинка антиречовини. Основна відмінність між ними полягає в їх електричному заряді. Наприклад, електрон має негативний заряд, тоді як антиелектрон (звичайно званий позитроном) має позитивний заряд. Протони мають позитивний заряд, а антипротони – негативний.
Фундаментальні симетрії у фізиці. Авторство: Фліп Танедо
Однією з фундаментальних симетрій у фізиці є збереження заряду. Загальний заряд у Всесвіті дорівнює нулю, і це не може змінитися. Отже, якщо ви створюєте заряджену частинку матерії, ви також повинні створити відповідну частинку антиречовини з протилежним зарядом. Ця симетрія є настільки центральною у фізиці, що астрономи вважають, що Великий вибух створив матерію і антиматерію в рівних кількостях. Незабаром після цього, напевно, сталося щось, що залишило у Всесвіті більше матерії, ніж антиматерії.
Ось де криється справжня загадка. Який механізм міг дозволити космосу порушити симетрію між матерією та антиматерією? Одна з ідей зосереджена на нейтрино.
Нейтрино - це елементарні частинки, які не мають електричного заряду. Але вони мають властивість, яка називається слабким ізоспіном, яка, по суті, є «зарядом» слабкої сили. Це означає, що є нейтрино як матерії, так і антиматерії. Але нейтрино мають дві властивості, які відрізняють їх від усіх інших елементарних частинок. По-перше, їх маса «нечітка». Існує три різні маси, які може мати нейтрино, і типове нейтрино знаходиться в квантовій суперпозиції всіх трьох. Ось чому нейтрино можуть коливатися між різними смаками. Друге пов’язано з їхньою хіральністю.
Хіральність лівшів і правшів. Авторство: Вікіпедія
Кожна елементарна частинка має властивість обертання, відому як спін. Коли частинка пролітає крізь простір, оберт і рух можуть бути спрямовані вздовж напрямку її руху або протилежно її руху. Перший відомий як правостороння хіральність, а другий — лівша. І речовина, і частинки антиречовини можуть мати або хіральність, за винятком нейтрино. Нейтрино завжди лівші, а антинейтрино завжди правші.
Ми не знаємо, чому це так, але одна ідея полягає в тому, що хіральність впливає на масу нейтрино за допомогою процесу, відомого як механізм гойдалок. У цій моделі існують правосторонні нейтрино та лівосторонні антинейтрино, але їх маси настільки великі, що ми не бачимо їх у типових взаємодіях частинок. Цей механізм гойдалок міг би розгадати таємницю Всесвіту, що складається з переважно матерії, який ми бачимо сьогодні.
Як зміна космічної фази може створити всесвіт матерії. Авторство: R.Hurt/Caltech-JPL, NASA та ESA, з модифікаціями Кавлі IPMU
Ідея полягає в тому, що дуже скоро після того, як у космосі з’явилися матерія та антиматерія, у Всесвіті відбулася фазова зміна, коли більше антиматерії перетворювалося на важкі антинейтрино, ніж матерія перетворювалася на нейтрино важкої речовини. Загальний заряд Всесвіту залишився нульовим, а баланс матерії та антиречовини зберігся, але залишилася переважно звичайна матерія та важкі антинейтрино.
Це чудова ідея, але безглузда, якщо ви не зможете це довести. Нещодавно команда запропонувала спосіб, який можна зробити. Якби така зміна фази відбулася, зсув маси створив би гравітаційні хвилі по всьому Всесвіту, що спостерігається. У своїй нещодавній роботі вони стверджують, що ці гравітаційні хвилі повинні бути виявлені майбутніми гравітаційними телескопами. Якщо вони мають рацію, це нарешті може вирішити одну з найбільших таємниць у космології.
Посилання: Dror, Jeff A., et al. “ Тестування механізму гойдалки та лептогенезу за допомогою гравітаційних хвиль '.