Как наименьшие частицы нашей Вселенной спасли нас от полной аннигиляции

Недавно обнаруженные пульсации пространства-времени, называемые гравитационными волнами, возможно содержат доказательства подтверждения теории того, что жизнь пережила Большой взрыв благодаря фазовому переходу, который позволил частицам нейтрино перетасовать материю и антиматерию.

Это объясняет новое исследование международной команды ученых, рассказывают в Институте физики и математики Вселенной им. Кавли Токийского университета.

Как нас спасли от полной аннигиляции, то есть уничтожения, - это не вопрос научной фантастики или голливудского фильма. Согласно теории Большого взрыва в современной космологии, материя была создана одновременно с равным количеством антиматерии. Если бы оно так и осталось, материя и антиматерия в конечном итоге должны были встретиться и аннигилировать друг с другом, что привело бы к полному уничтожению.

Но наше существование противоречит этой теории. Чтобы преодолеть полное уничтожение, Вселенная должена была превратить небольшое количество антиматерии на материю, создав между ними дисбаланс. Необходимый дисбаланс составляет лишь одну частицу на миллиард. Но остается полной загадкой, когда и как возник этот дисбаланс.

"Вселенная становится светонепроницаемой, как только мы оглядываемся примерно до миллиона лет после ее рождения. Это затрудняет ответ на основополагающий вопрос "почему мы здесь?", - говорит соавтор научной статьи Джефф Дрор, постдокторант Калифорнийского университета в Беркли и физик-исследователь в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Поскольку материя и антиматерия имеют противоположные электрические заряды, они не могут превращаться друг в друга, пока они не электрически нейтральные. Нейтрино - единственные известные нам электрически нейтральные частицы материи, и они являются сильнейшим претендентом на эту работу. Многие исследователи поддерживают теорию о том, что Вселенная прошла фазовый переход, чтобы нейтрино смогли перетасовать материю и антиматерию.

"Фазовый переход - это как подогрев воды для превращения ее в пар, или охлаждения воды - в лед. Поведение материи меняется при конкретных температурах, называемых критическими температурами. Когда определенный металл охлаждается до низкой температуры, он полностью теряет электрическое сопротивление при фазовом переходе, превращаясь в сверхпроводник. Это основа магнитно-резонансной томографии (МРТ) для диагностики рака, или технологии маглев, которая позволяет поезду плыть, двигаясь со скоростью 300 миль в час, не вызывая головокружения. Так же, как сверхпроводник, фазовый переход в ранней Вселенной, возможно, создал очень тонкую трубу из магнитных полей, называемых космическими струнами", - объясняет соавтор статьи Хитоси Мураяма, профессор физики МакАдамс в Калифорнийском университете в Беркли, старший исследователь в Институте физики и математики Вселенной им. Кавли в Токийском университете, а также старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Дрор и Мураяма - часть команды исследователей из Японии, США и Канады, которые считают, что космические струны потом пытаются упростить себя, что приводит к крошечному колебанию пространства-времени, называемого гравитационными волнами. Они могут быть обнаружены будущими космическими обсерваториями, такими как LISA, BBO Европейского космического агентства или DECIGO Японского агентства астронавтический исследований, почти при всех возможных критических температурах.

"Недавнее открытие гравитационных волн открывает новую возможность оглянуться назад во времени, поскольку Вселенная прозрачна для гравитации до самого начала. Когда Вселенная, возможно, была в триллион-квадриллион раз горячее, чем самое горячее сегодня место во Вселенной, то нейтрино, вероятно, вел себя бы так, как нам нужно, чтобы обеспечить наше выживание. Мы продемонстрировали, что они, вероятно, также оставили позади себя гравитационные пульсации, которые можно обнаружить, чтобы сообщить нам об этом", - говорит соавтор статьи Грэхем Уайт, постдокторант в канадском центре ускорителя частиц TRIUMF.

"Космические струны ранее были популярны как способ создания небольших вариаций плотных масс, которые со временем стали звездами и галактиками, но эта идея умерла, поскольку последние данные исключили ее. Теперь, с нашей работой, идея возвращается по другой причине. Это увлекательно!", - говорит Такаши Хирамацу, докторант в Институте исследований космических лучей Токийского университета, который проводит эксперименты на японских детекторе гравитационных волн KAGRA и нейтринной обсерватории Гипер-Камиоканде.

"Гравитационная волна от космических струн имеет спектр, который сильно отличается от астрофизических источников, таких как слияние черных дыр. Вполне возможно, что мы будем полностью уверены в том, что источник - это действительно космические струны", - говорит Казунори Кори, доцент теоретического центра Организации по исследованию ускорителей высокой энергии в Японии.

"Было бы очень интересно узнать, почему мы вообще существуем", - говорит Мураяма. "Это главный вопрос в науке".

Научная статья была опубликована онлайн в Physical Review Letters 28 января 2020 года как "предложение редактора".

Дополнительная информация

- Гипотезу о антиматерии выдвинул физик-теоретик и Нобелевский лауреат Пол Дирак, придумавший теорию квантовой механики, которая управляет микроскопическим миром элементарных частиц, и попытался совместить свою теорию с теорией относительности Эйнштейна, которая руководит макроскопической Вселенной. Антиматерия выглядит практически так же, как и материя, за исключением того, что их электрические заряды обратные. Был бы конус с мороженым, изготовленный из антиматерии, он выглядел бы точно так же, пока бы вы его не взяли в руки.

- Первая антиматерия, аналог электрона под названием позитрон из-за его положительного заряда, была открыта Карлом Дэвидом Андерсоном в 1932 году в послеэффектах высокоэнергетических частиц, излучаемых от древних звездных взрывов, попавших в атмосферу.

- Исследователям удалось создать антипротон в 1955 году, бомбардируя мишень ускоренными протонами на ускорителе частиц в Беркли. Эксперимент возглавляли Эмилио Джино Сегри и Оуэн Чемберлен. На сегодняшний день частицы материи и антиматерии создаются из энергии всегда друг к другу.

- Когда материя и антиматерия встречаются, они вместе аннигилируются назад в энергию. Если вы возьмете конус с мороженым, сделанный из антиматерии, часть вас аннигилирует с конусом мороженого с огромным взрывом, освободив гораздо больше энергии, чем атомная бомба.

- Идея о том, что нейтрино является лучшим претендентом на превращение небольшого количества антиматерии на материю, создавая дисбаланс между ними, сначала была предложена Масатакэ Фукугито и Цутомо Янагида, оба - бывшие исследователи Кавлийського института.

- Нейтрино очень трудная для изучения частица, и всемирное научное сообщество находится в погоне за тем, чтобы увидеть, что она делает и как ведет себя. Проекты на миллиард долларов под названием DUNE (Глубоко-подземный нейтринный эксперимент) и Hyper-Kamiokande (Эксперимент по выявлению нейтрино в шахте Камиока) соревнуются лоб-в-лоб между собой, чтобы увидеть, как нейтрино и их контрчастицы из антиматерии могут вести себя по- разному друг от друга.

Читайте еще интересные новости о космосе.