«Частица-призрак» могла определить, почему существует материя

Заброшенная «частица-призрак» могла доминировать во Вселенной сразу после Большого взрыва — изменив то, как космос расширялся в первые мгновения, и переформировав условия, при которых материя взяла верх над антиматерией, предполагает новое исследование. Иными словами, она может объяснять, почему вообще хоть что-то существует.

Эта частица — гипотетический «правый» нейтрино — могла на короткое время содержать больше энергии, чем всё остальное в младенческой Вселенной вместе взятое, что ускорило бы космическое расширение и задержало ключевые взаимодействия частиц, предполагает исследование. Работа опубликована 8 сентября в журнале Physical Review Letters.

Нейтрино — это призрачные частицы, которые крайне редко взаимодействуют с чем-либо. Типичное нейтрино от Солнца могло бы пройти сквозь свинцовую плиту толщиной в световой год — около 5,9 триллиона миль (9,5 триллиона километров) — прежде чем столкнуться с единственным атомом. Нейтрино бывают трёх типов, или «ароматов», и переключаются между ними по мере движения, используя тонкий квантовый эффект, который работает только если у них есть масса. Однако Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает, что они должны быть безмассовыми.

Одно из популярных решений involves «правые» нейтрино. Частицы вращаются немного как крошечные волчки, и физики называют их левыми или правыми в зависимости от того, как они вращаются относительно направления движения. Правая частица вращается как обычный винт, вкручиваемый вперёд, поворачиваясь по часовой стрелке, когда удаляется от вас. Все обнаруженные до сих пор нейтрино — левые и вращаются против часовой стрелки, улетая прочь, как винт с обратной резьбой.

«Правые нейтрино — это гипотетические частицы, которые не чувствуют слабого ядерного взаимодействия, в отличие от своих левых собратьев, входящих в Стандартную модель», — сказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Ришав Рошан, физик-теоретик из Университета Саутгемптона в Великобритании. «Их характеризует отсутствие электрического заряда и гораздо большая масса».

«Правые нейтрино могут смешиваться с левыми нейтрино, помогая объяснить массу последних» и то, почему они переключают ароматы, сказал Рошан.

Космические качели

В квантовой физике частицы, которые смешиваются, могут существовать как смесь двух идентичностей одновременно. В теоретической框架, называемой механизмом качелей (seesaw mechanism), каждое обычное нейтрино несёт слабый след тяжёлого правого партнёра, и этот след даёт ему крошечную массу. Чем тяжелее партнёр, тем слабее след и тем легче обычное нейтрино — отсюда и название, по аналогии с детскими качелями, концы которых движутся в противоположных направлениях.

Эти частицы могли бы решить и другие загадки. Они «нацелены на решение нескольких проблем, включая происхождение масс нейтрино, асимметрию материи и антиматерии во Вселенной и природу тёмной материи», сказал Рошан.

Большой взрыв должен был создать равные количества материи и антиматерии, которые аннигилировали бы друг друга, не позволив Вселенной в её нынешнем виде когда-либо сформироваться. Правые нейтрино играют crucial роль в моделях, согласно которым «наблюдаемый дисбаланс материи и антиматерии возник из процессов с участием этих нейтрино в ранней Вселенной», сказал Рошан.

В этой картине распадающиеся тяжёлые нейтрино оставили после себя небольшой избыток лептонов — семейства частиц, включающего электроны, — который позже превратился в сегодняшний избыток материи, объяснил он.

Структура качелей обычно включает три правых нейтрино, но, поскольку двух достаточно для объяснения данных, физики часто игнорируют третье, предполагая, что оно слишком тяжёлое или слишком слабо взаимодействует с материей.

Как тяжелейшее нейтрино захватило власть

В новом исследовании Рошан и Судипта Шоу, физик из Индийского технологического института в Канпуре, изучили, что сделала бы эта заброшенная частица — которая в основном примере команды была примерно в 100 триллионов раз тяжелее протона — после Большого взрыва.

Сначала частица носилась бы почти со скоростью света, поэтому её энергия угасала бы, как у света, который распространялся и растягивался до более слабых длин волн по мере расширения пространства. Но по мере охлаждения космоса частица замедлялась бы, и большая часть её энергии оказалась бы заперта в её массе, которая лишь распределялась бы в пространстве. Её доля в космической энергии росла бы, пока она не стала доминировать, и долгоживущая частица оставалась бы главной, пока не распалась на другие частицы, согласно вычислениям команды.

Исследование показывает, что заброшенное правое нейтрино «значительно влияет на динамику расширения ранней Вселенной, вызывая период раннего доминирования материи», сказал Рошан. Это изменение «влияет на различные взаимодействия Стандартной модели», что могло бы помочь объяснить асимметрию материи и антиматерии, добавил Рошан.

Каждое взаимодействие включилось бы только тогда, когда оно обогнало расширение пространства. Поскольку Вселенная, в которой доминировало тяжёлое нейтрино, расширялась бы быстрее, взаимодействиям пришлось бы ждать, пока она охладится сильнее.

Эти взаимодействия позволили бы ранней Вселенной различать лептонные ароматы, что повлияло бы на то, как формировался избыток материи. Благодаря задержке команда обнаружила, что более лёгкое правое нейтрино примерно в 100 миллиардов раз тяжелее протона могло бы произвести наблюдаемое количество материи до того, как ароматы можно было бы различить, — даже после того, как распад тяжёлого нейтрино разбавил часть этого количества.

Трудно проверить, но не недостижимо

Тяжёлое нейтрино слишком массивно, чтобы создать его в каком-либо ускорителе частиц, поэтому проверки должны быть косвенными.

Гравитационные волны — рябь в пространстве-времени — предлагают один из таких путей. Эпоха, в которой доминировало тяжёлое нейтрино, оставила бы характерный излом в фоне гравитационных волн ранней Вселенной, например от «космических струн» — гипотетических нитевидных дефектов пространства. Результаты можно проверить с помощью будущих установок, таких как Лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) и Обсерватория квадратного километра (SKAO), отметил Рошан.

LISA, космическая миссия Европейского космического агентства, должна быть запущена примерно в 2035 году, а SKAO, гигантский проект радиотелескопа, строящегося в Австралии и Южной Африке, мог бы улавливать такие волны, засекая далёкие пульсары. Проверки могут состояться «по мере ввода этих установок в эксплуатацию и начала сбора данных», сказал Рошан. Слабый гул горячей первичной плазмы также нёс бы отпечаток той эпохи, но на частотах, недоступных существующим детекторам.

Учёные отмечают, что даже косвенные свидетельства существования правого нейтрино способны радикально изменить наше понимание первых мгновений Вселенной. Если будущие гравитационно-волновые обсерватории действительно зафиксируют предсказанный излом фона, это станет важным шагом к объяснению сразу нескольких фундаментальных загадок — от массы нейтрино до самого факта существования материи. Пока же исследование остаётся теоретическим, но задаёт конкретные ориентиры для будущих наблюдений.

Источники: Roshan, R., & Show, S. (2026). Physical Review Letters, 137(11), 111802, https://doi.org/10.1103/nfkx-q6z7; Live Science; University of Southampton; Indian Institute of Technology Kanpur.