Одна из давних загадок Вселенной — почему привычный нам космос вообще существует.
Но этого не произошло. Новое исследование выдвигает гипотезу о том, что на раннем этапе существования Вселенной произошел таинственный «толчок», в результате которого образовалось больше материи, чем антиматерии, что привело к дисбалансу и существованию современного космоса. И этот дисбаланс, возможно, также привел к созданию темной материи — таинственной субстанции, которая притягивает к себе привычное нам вещество, но никак с ним не взаимодействует.
Любопытное совпадение
Мы не знаем, что такое темная материя, но с высокой долей вероятности она существует. По расчетам, она составляет около 80% всей материи во Вселенной, что намного превышает массу всех звезд, галактик, пыли и газа, которые мы видим. И хотя темная материя, безусловно, является тяжеловесом в нашей Вселенной, 80%, как ни странно, маловато для доминирующего фактора.
Обычно в физике, когда одно взаимодействие доминирует над другим, первое в конечном счете полностью побеждает. Если в игру не вступают другие физические процессы, две конкурирующие силы редко достигают баланса. Например, когда силы гравитации и электромагнетизма конкурируют внутри звезд, в конечном итоге гравитация всегда побеждает, и звезда коллапсирует. Так что тот факт, что темная материя составляет 80% массы Вселенной, а не 99,99999%, а обычная материя составляет 20%, а не ноль, с точки зрения физики кажется странным.
Состав современной Вселенной.
Проблема усугубляется тем, что, насколько нам известно, процессы образования привычной нам и темной материй не имели абсолютно ничего общего друг с другом. Мы не имеем ни малейшего представления о том, как темная материя возникла в ранней Вселенной, но при этом для объяснения появления обычной материи она не нужна.
Однако темная материя может объяснить парадокс вещества и антивещества. Все дело в том, что в очень-очень ранней Вселенной (когда ей, возможно, было всего несколько секунд) обычная материя находилась в идеальном балансе с антиматерией. Ученые уже проверили это на ускорителях частиц, которые могут воспроизводить экстремальные условия ранней Вселенной: если у вас есть высокоэнергетическая реакция, которая генерирует обычное вещество, у нее есть равные шансы вместо этого сгенерировать антивещество. Но в какой-то момент (мы не знаем точное время, но, скорее всего, Вселенной было максимум пара минут) баланс между материей и антиматерией нарушился, и в итоге обычная материя победила, а антивещество кануло в лету.
Итак, с одной стороны, мы имеем дело с массовым нарушением симметрии, которое привело к победе обычной материи над антиматерией. С другой стороны, у нас есть совершенно загадочное событие, которое привело к тому, что темная материя стала доминирующей, но не сверхдоминирующей формой материи во Вселенной. Возможно, эти два процесса связаны между собой, и рождение темной материи было связано с победой обычной материи, предполагает новое исследование.
Нарушение симметрии
В исследовании, опубликованном в конце декабря в базе предварительных работ arXiv и еще не прошедшем рецензирование, ученые выдвигают это утверждение, полагаясь на то, что называется симметрией барионного числа. Барионы — это все частицы, состоящие из кварков (таких как протоны и нейтроны). Эксперименты показывают, что число барионов, входящих в взаимодействие, должно быть равно числу барионов, выходящих из него (они могут менять «личность», но общее количество должно быть таким же). Такая же симметрия сохраняется и для реакций с участием антикварков.
Антивещество очень похоже на обычное вещество, разница только в зарядах: например, вместо отрицательного электрона есть положительный позитрон.
И эта симметрия подтверждается во всех современных экспериментах, но, должно быть, она была нарушена в раннем космосе — вот как мы получили Вселенную с доминирующим количеством обычного вещества. А в физике каждый раз, когда нарушается симметрия, появляется новый вид частиц, известный как «бозон Голдстоуна», который за это отвечает. (В современной Вселенной, например, пион — это разновидность бозона Голдстоуна, который появляется, когда нарушается симметрия сильного ядерного взаимодействия.)
И исследование предполагает, что темная материя состоит из своего рода бозонов Голдстоуна, связанных с нарушением симметрии барионных чисел в раннем космосе.
Удар по Вселенной
В современных экспериментах симметрия барионного числа никогда не нарушалась, но что-то крайне необычное должно было случиться в ранней Вселенной. Это было жестокое, но недолгое событие, которое исследователи, стоящие за этой идеей, называют «толчком», в результате которого было уничтожено почти все антивещество. И какое бы экзотическое сочетание условий ни произошло, симметрия барионного числа нарушилась — а, значит появился новый бозон Голдстоуна.
Как считают исследователи в новой работе, во время этого необычного события Вселенная оказалась заполнена частицами темной материи. Но затем все условия, которые привели к нарушению симметрии, закончились, и Вселенная вернулась в нормальное состояние. При этом успевшая появиться темная материя, разумеется, осталась.
Вышеуказанный «толчок» произошел в первые несколько минут существования Вселенной — смешное время в сравнении с ее возрастом в 13.8 млрд лет.
Итак, после той первой эпической минуты в истории Вселенной, когда в космос вернулась симметрия, темная материя «спряталась» в тени, чтобы никогда больше не взаимодействовать с нормальной материей. И причина того, что темная и обычная материи существуют в сравнимых количествах, заключается в том, что они были связаны между собой, утверждает исследование. Новая модель не предсказывает точное разделение 80 на 20 между темной и нормальной материей. Но оно предполагает, что причина того, что темная материя и нормальная материя сравнимы по массе, заключается в том, что они возникли в одном и том же событии.
Это очень интересная и интригующая идея, однако она все еще не объясняет, как именно произошло это раннее нарушение симметрии и появились «темные бозоны Голдстоуна». Но это уже тема для совершенно другого исследования.
