Вселенная была заполнена равным количеством материи и антиматерии — частиц, которые являются аналогами материи, но имеют противоположные заряды — в начале своего существования, вскоре после Большого взрыва. Затем Вселенная остыла по мере расширения пространства. Сегодняшняя Вселенная заполнена материальными галактиками и звездами. Как материя стала доминировать во Вселенной и куда делась антиматерия? Ученые до сих пор озадачены космическим происхождением материи.
Задействовав, так называемый, космологический коллайдер, физики из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Цинхуа в Китае теперь открыли новый путь для изучения космического происхождения материи.
Что такое "космологический коллайдер"?
Высокоэнергетические коллайдеры, такие как Большой адронный коллайдер, были разработаны для генерации очень тяжелых субатомных элементарных частиц, которые могли бы открыть новую физику. Однако некоторые новые законы физики, например те, которые объясняют темную материю и происхождение материи, могут включать гораздо более тяжелые частицы, что требует гораздо больше энергии, чем может дать искусственный коллайдер. Оказывается, ранняя Вселенная могла действовать как суперколлайдер.
Яноу Цуй, адъюнкт-профессор физики и астрономии UCR, объяснил, что космическая инфляция, период, когда Вселенная расширялась экспоненциально возрастающими темпами, обычно считается предшествовавшим Большому взрыву.
Космическая инфляция обеспечила высокоэнергетическую среду, позволяющую производить новые тяжелые частицы, а также их взаимодействие. Инфляционная Вселенная вела себя точно так же, как космологический коллайдер, за исключением того, что энергия была в 10 миллиардов раз больше, чем у любого искусственного коллайдера.
По словам ученых, когда Вселенная расширилась, крошечные структуры, образованные энергетическими событиями во время инфляции, растянулись, в результате чего в однородной Вселенной появились области с различной плотностью. Эти микроскопические структуры затем заложили основу крупномасштабной структуры нашей Вселенной, которая сегодня видится как распределение галактик по всему небу. Стоит отметить, что анализ отпечатка космологического коллайдера в сегодняшнем космическом содержимом, таком как галактики и космическое микроволновое излучение, может открыть новую физику субатомных частиц.
Группа физиков изложила свои мысли в журнале Physical Review Letters. Они считают, что применяя физику космологического коллайдера и используя точные данные для измерения структуры нашей Вселенной из предстоящих экспериментов, таких как SPHEREx и 21-сантиметровая линейная томография, тайна космического происхождения материи может быть разгадана.
Тот факт, что в нашей современной Вселенной преобладает материя, остается одной из самых сложных и давних загадок современной физики. Тонкий дисбаланс или асимметрия между материей и антиматерией в ранней Вселенной необходим для достижения сегодняшнего господства материи, но не может быть реализован в известных рамках фундаментальной физики.
Для подтверждения своей теории физики предлогают проверить лептогенез — хорошо известный механизм, объясняющий происхождение асимметрии барионов — видимого газа и звезд — в нашей Вселенной. Если бы Вселенная началась с равных количеств материи и антиматерии, они аннигилировали бы друг друга в фотонное излучение, не оставив ничего. Поскольку материя сегодня намного превосходит антиматерию, для объяснения дисбаланса требуется асимметрия.
Лептогенез — один из наиболее убедительных механизмов, порождающих асимметрию материи и антиматерии. Это связано с новой фундаментальной частицей, правым нейтрино. Однако долгое время считалось, что проверка лептогенеза почти невозможна, потому что масса правого нейтрино, как правило, на много порядков превышает досягаемость самого высокоэнергетического коллайдера из когда-либо построенных — Большого адронного коллайдера.
В новой работе предлагается проверить лептогенез путем расшифровки подробных статистических свойств пространственного распределения объектов в наблюдаемой сегодня космической структуре, напоминающей микроскопическую физику во время космической инфляции. Исследователи утверждают, что эффект космологического коллайдера позволяет производить сверхтяжелые правые нейтрино в инфляционную эпоху.
В частности, физики в работе демонстрируют, что существенные условия для генерации асимметрии, включая взаимодействия и массы правых нейтрино, которые здесь играют ключевую роль, могут оставлять отчетливые отпечатки пальцев в статистике пространственного распределения галактик или космического микроволнового фона и могут быть точно измерены. Астрофизические наблюдения, ожидаемые в ближайшие годы, потенциально могут обнаружить такие сигналы и раскрыть космическое происхождение материи.
