Почему Вселенная не самоуничтожилась в начале своего рождения

Большой взрыв положил начало Вселенной, какой мы ее знаем, 13,8 миллиарда лет назад. Многие теории в физике элементарных частиц предполагают, что вместе со всей материей, созданной при зачатии Вселенной, должно было быть создано равное количество антиматерии. Антиматерия, как и материя, имеет массу и занимает пространство. Однако частицы антиматерии обладают свойствами, противоположными свойствам соответствующих им частиц материи.

Когда куски материи и антиматерии сталкиваются, они уничтожают друг друга в мощном взрыве, оставляя после себя только энергию. Загадочная вещь в теориях, которые предсказывают создание равного баланса материи и антиматерии, заключается в том, что если бы они были правдой, они бы полностью уничтожили друг друга, оставив Вселенную пустой.

Таким образом, при рождении Вселенной должно было быть больше материи, чем антиматерии, потому что Вселенная не пуста — она полна вещей, состоящих из материи, таких как галактики, звезды и планеты. Вокруг нас существует немного антиматерии, но очень редко.

Как физик, работающий с данными Subaru, я заинтересован в так называемой проблеме асимметрии материи и антиматерии. В нашем недавнем исследовании мы с коллегами обнаружили, что новое измерение телескопом количества и типа гелия в далеких галактиках может предложить решение этой давней загадки.

После Большого Взрыва

В первые миллисекунды после Большого взрыва Вселенная была горячей, плотной и полной элементарных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны, плавающие в плазме. В этом пуле частиц также присутствовали нейтрино, которые представляют собой очень маленькие слабо взаимодействующие частицы, и антинейтрино, их аналоги из антивещества.

Физики считают, что всего через одну секунду после Большого взрыва начали формироваться ядра легких элементов, таких как водород и гелий. Этот процесс известен как нуклеосинтез Большого взрыва. Образовавшиеся ядра состояли примерно из 75% ядер водорода и 24% ядер гелия, а также небольшого количества более тяжелых ядер.

Наиболее широко принятая в физическом сообществе теория образования этих ядер говорит нам, что нейтрино и антинейтрино сыграли фундаментальную роль в создании, в частности, ядер гелия, Курсы по охране труда.

Создание гелия в ранней Вселенной происходило в два этапа. Во-первых, нейтроны и протоны превращались из одного в другое в ходе ряда процессов с участием нейтрино и антинейтрино. По мере остывания Вселенной эти процессы прекратились и установилось соотношение протонов и нейтронов.

Как физики-теоретики мы можем создавать модели для проверки того, как соотношение протонов и нейтронов зависит от относительного количества нейтрино и антинейтрино в ранней Вселенной. Если бы присутствовало больше нейтрино, наши модели показывают, что в результате существовало бы больше протонов и меньше нейтронов.

Когда Вселенная остыла, из этих протонов и нейтронов образовались водород, гелий и другие элементы. Гелий состоит из двух протонов и двух нейтронов, а водород состоит только из одного протона и без нейтронов. Таким образом, чем меньше нейтронов было в ранней Вселенной, тем меньше гелия производилось.

Поскольку ядра, образовавшиеся во время нуклеосинтеза Большого взрыва, все еще можно наблюдать сегодня, ученые могут сделать вывод о том, сколько нейтрино и антинейтрино присутствовало в ранней Вселенной. Они делают это, специально изучая галактики, богатые легкими элементами, такими как водород и гелий.

Подсказка в гелии

В прошлом году Subaru Collaboration — группа японских ученых, работающих на телескопе Subaru, — опубликовала данные о 10 галактиках далеко за пределами нашей, которые почти полностью состоят из водорода и гелия.

Используя метод, который позволяет исследователям отличать разные элементы друг от друга на основе длины волны света, наблюдаемого в телескоп, ученые Subaru точно определили, сколько гелия существует в каждой из этих 10 галактик. Важно отметить, что они обнаружили меньше гелия, чем предсказывала ранее принятая теория.

Получив этот новый результат, я и мои сотрудники работали в обратном направлении, чтобы найти количество нейтрино и антинейтрино, необходимое для получения изобилия гелия, обнаруженного в данных. Вспомните урок математики в девятом классе, когда вас попросили найти «Х» в уравнении. То, что сделала моя команда, было, по сути, более сложной версией этого, где наш «X» был числом нейтрино или антинейтрино.

Принятая ранее теория предсказывала, что в ранней Вселенной должно быть одинаковое количество нейтрино и антинейтрино. Однако когда мы подкорректировали эту теорию, чтобы получить предсказание, соответствующее новому набору данных, мы обнаружили, что количество нейтрино больше, чем количество антинейтрино.

Что все это значит?

Этот анализ новых данных о галактиках, богатых гелием, имеет далеко идущие последствия — его можно использовать для объяснения асимметрии между материей и антиматерией. Данные Subaru прямо указывают нам на источник этого дисбаланса: нейтрино.

В этом исследовании я и мои сотрудники доказали, что это новое измерение гелия согласуется с тем, что в ранней Вселенной было больше нейтрино, чем антинейтрино. Через известные и вероятные процессы физики элементарных частиц асимметрия нейтрино может перейти в асимметрию всей материи.

Результат нашего исследования является распространенным типом результатов в мире теоретической физики. По сути, мы обнаружили жизнеспособный способ возникновения асимметрии материи и антиматерии, но это не значит, что она определенно была создана именно таким образом. Тот факт, что данные согласуются с нашей теорией, является намеком на то, что предложенная нами теория может быть правильной, но сам по себе этот факт не означает, что это так.

Итак, являются ли эти крошечные нейтрино ключом к ответу на извечный вопрос: «Почему что-то существует?» Согласно этому новому исследованию, они могут быть.

Энн-Кэтрин Бернс, доктор философии. Кандидат в области теоретической физики элементарных частиц, Калифорнийский университет, Ирвин.