Materia miała zniknąć po Wielkim Wybuchu. Jedna cząstka zmieniła wszystko

Fizycy wskazali hipotetyczne ciężkie neutrino, które mogło zmienić warunki we wczesnym Wszechświecie i pomóc wyjaśnić przewagę materii.

Zgodnie z naszym rozumieniem fizyki młody Wszechświat powinien wytwarzać niemal jednakowe ilości materii i antymaterii. Gdyby proporcje pozostały jednak idealnie równe, to cząstki i antycząstki wzajemnie by się unicestwiły. Nie byłoby galaktyk, gwiazd ani planet. Tymczasem materia przetrwała, a fizycy wciąż nie potrafią przekonująco wyjaśnić dlaczego.

Naukowcy z Wielkiej Brytanii i Indii przedstawili nową hipotezę, która może pomóc rozwiązać tę zagadkę. Najważniejszą rolę przypisują hipotetycznemu, niezwykle ciężkiemu neutrinu, które przez długi czas pozostawało niemal odizolowane od pozostałych cząstek. Jego powolny rozpad mógł zmienić warunki panujące we wczesnym Wszechświecie i wpłynąć na to, dlaczego zwykła materia ostatecznie zdominowała kosmos.

Materia powinna przegrać z antymaterią. Coś poszło jednak inaczej

Każdej cząstce materii odpowiada antycząstka. Elektron ma pozyton, a proton antyproton. Cząstki i ich odpowiedniki mają identyczne masy, ale różnią się niektórymi adekwatnościami, na przykład znakiem ładunku elektrycznego. Kiedy cząstka spotyka antycząstkę, może dojść do anihilacji. Obie znikają, a ich energia zostaje przekazana innym cząstkom, najczęściej fotonom. We wczesnym Wszechświecie takie procesy zachodziły powszechnie.

Gdyby materia i antymateria występowały w idealnie równych ilościach, to praktycznie wszystkie ich cząstki uległyby wzajemnemu unicestwieniu. Istnienie znanego nam kosmosu oznacza, iż już na bardzo wczesnym etapie musiała pojawić się niewielka przewaga materii.

Na Spider’s Web opisywaliśmy wcześniej hipotezę polskiego fizyka Nikodema Popławskiego, który wiązał powstanie tej przewagi z oddziaływaniem pierwotnych czarnych dziur z materią i antymaterią. Nowy model proponuje mechanizm oparty na zachowaniu cząstek elementarnych. Problem pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki. Znamy procesy, które prowadzą do niewielkich różnic w zachowaniu materii i antymaterii, ale ich znana skala nie wystarcza do wyjaśnienia obserwowanego kosmicznego bilansu.

Zapomniane neutrino mogło przejąć kontrolę nad młodym Wszechświatem

Nową propozycję opracowali Rishav Roshan z University of Southampton oraz Sudipta Show z Indian Institute of Technology Kanpur. Badacze przyjrzeli się modelowi, w którym oprócz trzech znanych rodzajów neutrin istnieją również znacznie cięższe, hipotetyczne odpowiedniki.

Neutrina należą do najbardziej nieuchwytnych cząstek. Nie mają ładunku elektrycznego, a ich oddziaływania ze zwykłą materią są bardzo słabe. Każdej sekundy ogromne ich ilości przenikają przez nasze ciała, nie pozostawiając zauważalnego śladu.

W czerwcu opisywaliśmy pierwsze ważne wyniki chińskiego obserwatorium JUNO, które bada oscylacje neutrin i pomaga ustalać ich adekwatności. Nowa praca dotyczy jednak innych, hipotetycznych cząstek, znacznie cięższych od tych rejestrowanych przez współczesne detektory.

W analizowanym modelu występują trzy ciężkie neutrina prawoskrętne. Dwa z nich uczestniczą w mechanizmie pozwalającym wyjaśniać niewielkie masy zwykłych neutrin. Trzecie jest tak słabo związane z pozostałymi cząstkami, iż w wielu wcześniejszych obliczeniach pomijano jego wpływ na ewolucję kosmosu.

Roshan i Show wykazali matematycznie, iż takie uproszczenie może być błędem. o ile najcięższe neutrino żyło wystarczająco długo, jego zachowanie mogło zmienić całą historię ekspansji młodego Wszechświata.

Jedna cząstka zmieniła warunki. Materia mogła na tym zyskać

W standardowym opisie bardzo wczesnego Wszechświata jego ekspansja była zdominowana przez promieniowanie. Energia promieniowania i niezwykle gwałtownie poruszających się cząstek decydowała wtedy o tempie rozszerzania przestrzeni. Ciężkie neutrino opisane przez naukowców mogło jednak przetrwać na tyle długo, iż po spowolnieniu zaczęło zachowywać się jak materia. Jego udział w całkowitej energii kosmosu stopniowo wzrastał, aż na pewien czas stał się dominujący.

Oznaczałoby to, iż w historii Wszechświata pojawił się dodatkowy etap, którego nie uwzględniano w wielu wcześniejszych modelach. Zmieniło się tempo ekspansji, a wraz z nim warunki, w których zachodziły oddziaływania innych cząstek. W badaniu opublikowanym w Physical Review Letters autorzy przeanalizowali wpływ tego zjawiska na oddziaływania związane z bozonem Higgsa. Wykazali, iż przy odpowiednio dobranych parametrach modelu temperatura osiągnięcia równowagi dla jednego z takich procesów mogła być około 7 razy niższa niż w standardowym scenariuszu.

Pamiętajmy, iż w młodym Wszechświecie temperatura decydowała o tym, jakie reakcje zachodziły między cząstkami i jak gwałtownie przebiegały. Zmiana momentu, w którym poszczególne procesy osiągały równowagę, mogła więc wpłynąć na powstawanie przewagi materii.

Neutrino nie musiało samo tworzyć materii. Wystarczyło, iż zmieniło zasady

Mechanizm analizowany przez naukowców wiąże się z leptogenezą. To jedna z hipotez wyjaśniających, jak pierwotnie niewielkie różnice między cząstkami i antycząstkami mogły ostatecznie doprowadzić do obserwowanej przewagi materii. W dużym uproszczeniu niektóre ciężkie neutrina mogły rozpadać się w sposób, który tworzył nierównowagę pomiędzy leptonami i antyleptonami. Późniejsze procesy zachodzące w gorącym Wszechświecie mogły częściowo przekształcić tę nierównowagę w przewagę materii tworzącej dzisiejsze atomy.

Najcięższe, niemal odizolowane neutrino nie musiało bezpośrednio wytwarzać tej asymetrii. Jego rola polegałaby przede wszystkim na zmianie tempa rozszerzania się Wszechświata, a przez to warunków działania pozostałych cząstek. Badacze wykazali również, iż późniejszy rozpad ciężkiego neutrina mógł zwiększać ilość entropii i osłabiać wcześniej powstałą asymetrię. Ostateczny wynik zależy więc od kilku wzajemnie powiązanych procesów, a nie od prostego działania jednej cząstki.

Nowa teoria w żadnym razie nie oznacza więc, iż fizycy znaleźli neutrino odpowiedzialne za powstanie całej materii. Pokazuje raczej, iż pomijany dotąd element modelu mógł mieć znacznie większy wpływ na kosmiczną ewolucję, niż przypuszczano.

Ślady mogą być tak naprawdę ukryte w falach grawitacyjnych

Najciekawsze jest to, iż hipoteza nie musi na zawsze pozostać wyłącznie matematycznym scenariuszem. Zmiany tempa ekspansji we wczesnym Wszechświecie mogły pozostawić ślady w widmie pierwotnych fal grawitacyjnych. Takie fale różniłyby się od sygnałów powstających podczas współczesnych zderzeń czarnych dziur. Ich źródłem byłyby procesy zachodzące w niezwykle gorącym kosmosie, na długo przed powstaniem pierwszych gwiazd.

Detektory LIGO, Virgo i KAGRA rejestrują już fale grawitacyjne pochodzące ze zderzeń odległych obiektów, ale sygnały rozważane w nowej pracy należą do znacznie trudniejszej kategorii. Ich wykrycie wymagałoby innych zakresów czułości i być może przyszłych technologii obserwacyjnych.

Autorzy wskazują również, iż model przewiduje określone zależności pomiędzy masami neutrin a historią ekspansji Wszechświata. Dokładniejsze pomiary adekwatności tych cząstek mogłyby z czasem ograniczać liczbę możliwych scenariuszy. Na razie żaden eksperyment nie potwierdził istnienia postulowanego ciężkiego neutrina ani jego wpływu na przewagę materii. Badacze pokazali jednak, jakie konsekwencje wynikałyby z takiego założenia i gdzie można szukać ich śladów.

Jedna z największych zagadek fizyki wciąż czeka na odpowiedź

Poszukiwanie przyczyn przewagi materii nad antymaterią odbywa się dziś naprawdę na wielu frontach. Jedne zespoły analizują cząstki w akceleratorach, inne badają ich adekwatności dzięki coraz dokładniejszych eksperymentów.

W lipcu pisaliśmy o niezwykłej metodzie przygotowywania schłodzonych cząsteczek radu, które mogą pomóc szukać nieznanych dotąd różnic w zachowaniu materii i antymaterii. Z kolei eksperyment BASE-STEP w CERN umożliwił przewiezienie antyprotonów w specjalnej pułapce, otwierając drogę do jeszcze precyzyjniejszych pomiarów.

Przeczytaj także:

Nowa propozycja w żadnym razie oczywiście nie zastępuje tych badań. Wskazuje jedynie dodatkowy mechanizm, który mógł działać w czasie, gdy Wszechświat był tak gorący i gęsty, iż nie istniały jeszcze znane nam atomy.

Historia kosmosu mogła więc zależeć nie tylko od tego, jakie cząstki powstały po Wielkim Wybuchu, ale także od tego, jak długo przetrwały i kiedy zaczęły się rozpadać. choćby niemal odizolowana cząstka mogła zmienić warunki, które ostatecznie zdecydowały o losach całej materii.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI