Як найменші частинки нашого Всесвіту врятували нас від повної анігіляції

Нещодавно виявлені пульсації простору-часу, які називаються гравітаційними хвилями, можливо містять докази підтвердження теорії того, що життя пережило Великий вибух завдяки фазовому переходу, який дозволив частинкам нейтрино перетасувати матерію та антиматерію.

Це пояснює нове дослідження міжнародної команди вчених, розповідають в Інституті фізики і математики Всесвіту ім. Кавлі Токійського університету.

Як нас врятували від повної анігіляції, тобто знищення, -- це не питання наукової фантастики чи голлівудського фільму. Відповідно до теорії Великого вибуху у сучасній космології, матерія була створена одночасно з рівною кількістю антиматерії. Якби воно так і лишилося, матерія та антиматерія у кінцевому підсумку мали б зустрітися та анігілювати одна з одною, що призвело б до повного знищення.

Але наше існування суперечить цій теорії. Щоб подолати повне знищення, Всесвіт повинен був перетворити невелику кількість антиматерії на матерію, створивши між ними дисбаланс. Необхідний дисбаланс становить лише одну частинку на мільярд. Але залишається повною загадкою, коли і як виник цей дисбаланс.

"Всесвіт стає світлонепроникним, як тільки ми озираємося приблизно до мільйону років після його народження. Це ускладнює відповідь на основоположне питання "чому ми тут?", -- каже співавтор наукової статті Джефф Дрор, постдокторант Каліфорнійського університету в Берклі та фізик-дослідник у Національній лабораторії Лоуренса Берклі.

Оскільки матерія та антиматерія мають протилежні електричні заряди, вони не можуть перетворюватися одна в одну, поки вони не будуть електрично нейтральними. Нейтрино - єдині відомі нам електрично нейтральні частинки матерії, і вони є найсильнішим претендентом на цю роботу. Багато дослідників підтримують теорію щодо того, що Всесвіт пройшов фазовий перехід, щоб нейтрино змогли перетасувати матерію та антиматерію.

"Фазовий перехід - це як підігрів води для перетворення її на пару, або охолодження води - на лід. Поведінка матерії змінюється при конкретних температурах, званих критичними температурами. Коли певний метал охолоджується до низької температури, він повністю втрачає електричний опір при фазовому переході, перетворюючись на надпровідник. Це основа магнітно-резонансної томографії (МРТ) для діагностики раку, або технології маглев, яка дозволяє поїзду пливсти, рухаючись зі швидкістю 300 миль на годину, не викликаючи головокружіння. Так само, як надпровідник, фазовий перехід у ранньому Всесвіті, можливо, створив дуже тонку трубу з магнітних полів, званих космічними струнами", -- пояснює співавтор статті Хітоші Мураяма, професор фізики Макадамса у Каліфорнійському університеті в Берклі, старший дослідник в Інституті фізики та математики Всесвіту ім. Кавлі в Токійському університеті, а також старший науковий співробітник Національної лабораторії Лоуренса Берклі.

Дрор і Мураяма - частина команди дослідників з Японії, США та Канади, які вважають, що космічні струни потім намагаються спростити себе, що призводить до крихітного коливання простору-часу, званого гравітаційними хвилями. Вони можуть бути виявлені майбутніми космічними обсерваторіями, такими як LISA, BBO Європейського космічного агентства або DECIGO Японського агентства астронавтичних досліджень, майже при всіх можливих критичних температурах.

"Нещодавнє відкриття гравітаційних хвиль відкриває нову можливість озирнутися назад у часі, оскільки Всесвіт прозорий для гравітації аж до самого початку. Коли Всесвіт, можливо, був у трильйон-квадрильйон разів гарячішим, аніж найгарячіше на сьогодні місце у Всесвіті, то нейтрино, ймовірно, поводилося би так, як нам потрібно, щоб забезпечити наше виживання. Ми продемонстрували, що вони, ймовірно, також залишили позаду себе гравітаційні пульсації, які можна виявити, щоб повідомити нам про це", -- каже співавтор статті Грехем Уайт, постдокторант у канадському центрі прискорювача частинок TRIUMF.

"Космічні струни раніше були популярними як спосіб створення невеликих варіацій щільних мас, які з часом стали зірками і галактиками, але ця ідея вмерла, оскільки останні дані виключили її. Тепер, з нашою роботою, ідея повертається з іншої причини. Це захоплююче!", -- каже Такаші Хірамацу, докторант в Інституті досліджень космічних променів Токійського університету, який проводить експерименти на японських детекторі гравітаційних хвиль KAGRA та нейтринній обсерваторії Гіпер-Каміоканде.

"Гравітаційна хвиля від космічних струн має спектр, який сильно відрізняється від астрофізичних джерел, таких як злиття чорних дір. Цілком можливо, що ми будемо повністю впевнені в тому, що джерело -- це дійсно космічні струни", -- каже Казунорі Корі, доцент Теоретичного центру Організації з дослідження прискорювачів високої енергії в Японії.

"Було б дуже цікаво дізнатися, чому ми взагалі існуємо", - каже Мураяма. "Це головне питання в науці".

Наукова стаття була опублікована онлайн в Physical Review Letters 28 січня 2020 року як "пропозиція редактора".

Додаткова інформація

- Гіпотезу про антиматерію висунув фізик-теоретик та Нобелівський лауреат Пол Дірак, який придумав теорію квантової механіки, що керує мікроскопічним світом елементарних частинок, і спробував поєднати свою теорію з теорією відносності Ейнштейна, яка керує макроскопічним Всесвітом. Антиматерія виглядає практично так само, як і матерія, за винятком того, що їх електричні заряди зворотні. Був би конус з морозивом, виготовлений з антиматерії, він виглядав би точно так само, поки б ви його не взяли.

- Першу антиматерію, аналог електрона під назвою позитрон через його позитивний заряд, було відкрито Карлом Девідом Андерсоном у 1932 році в післяефектах високоенергетичних частинок, випромінених від давніх зоряних вибухів, що потрапили в атмосферу.

- Дослідникам вдалося створити антипротон в 1955 році, бомбардуючи мішень прискореними протонами на прискорювачі частинок в Берклі. Експеримент очолювали Еміліо Джино Сегрі та Оуен Чемберлен. На сьогоднішній день частинки матерії та антиматерії створюються з енергії завжди одна до одної.

- Коли матерія і антиматерія зустрічаються, вони разом анігілюються назад в енергію. Якщо ви візьмете конус з морозивом, зроблений з антиматерії, частина вас анігілює з конусом морозива з величезним вибухом, вивільнивши набагато більше енергії, ніж атомна бомба.

- Ідея про те, що нейтрино є найкращим претендентом на перетворення невеликої кількості антиматерії на матерію, створюючи дисбаланс між ними, спочатку була запропонована Масатако Фукугіто та Цутомо Янагіда, обидва - колишні дослідники Кавлійського інституту.

- Нейтрино є дуже важкою для вивчення частиною, і всесвітнє наукове співтовариство знаходиться у гонитві за тим, щоб побачити, що вона робить і як поводиться. Проекти на мільярд доларів під назвою DUNE (Глибоко-підземний нейтринний експеримент) та Hyper-Kamiokande (Експеримент з виявлення нейтрино в шахті Каміока) змагаються лоб-у-лоб між собою, щоб побачити, як нейтрино та їх контрчастинки з антиматерії можуть поводитися по-різному одна від одної.

Читайте ще цікаві новини про космос.