Fizycy z Uniwersytetu w Southampton i Indyjskiego Instytutu Technologicznego w Kanpur proponują nowe wyjaśnienie, dlaczego po Wielkim Wybuchu przetrwała materia. Według ich teorii kluczową rolę mogło odegrać ciężkie neutrino, które przez dekady uchodziło za mało istotny szczegół. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Letters”.
Zagadka materii i antymaterii
Jedna z podstawowych zagadek fizyki brzmi: dlaczego wszechświat zawiera cokolwiek, a nie jest pusty? Naukowcy uważają, że tuż po Wielkim Wybuchu powstały niemal równe ilości materii i antymaterii. Gdy się spotykają, anihilują i uwalniają energię. Gdyby ich ilość była idealnie równa, praktycznie cała materia by zniknęła i nie powstałyby gwiazdy, planety ani życie.
Skoro jednak istniejemy, musiała pojawić się niewielka przewaga materii. Zjawisko to fizycy nazywają asymetrią materii i antymaterii. Jej przyczyny nadal nie są w pełni wyjaśnione.
Neutrino, o którym zapomniano
Badacze skupili się na hipotetycznym, tzw. rozprzężonym (ang. decoupled) ciężkim neutrinie. To krewny zwykłych neutrin, czyli lekkich cząstek, które bardzo rzadko oddziałują z materią. Dotychczas uważano, że ta cięższa odmiana łączy się z innymi cząstkami zbyt słabo, by wpływać na losy wszechświata, dlatego pomijano ją w wyjaśnieniach asymetrii.
Zespół doszedł do innego wniosku. Cząstka ta rozpada się niezwykle wolno. Według obliczeń mogła istnieć na tyle długo, by w trakcie stygnięcia wszechświata na pewien czas zdominować jego gęstość energii i wywołać okres, w którym dominowała materia.
Jak wyjaśnia współautor badania dr Rishav Roshan z Southampton: „Ta cząstka rozpada się niezwykle wolno” – to właśnie ta cecha pozwoliła jej odegrać nieoczekiwaną rolę.
Rola bozonu Higgsa i fale grawitacyjne
Według autorów ciężkie neutrino przesunęło temperaturę, przy której cząstki takie jak elektrony i inne leptony oddziaływały ze swoimi antycząstkami z udziałem bozonu Higgsa z Modelu Standardowego. Ta temperatura działa jak przełącznik wpływający na to, jak powstawała przewaga materii nad antymaterią.
Zmiana tempa rozszerzania się młodego kosmosu mogła zostawić ślady, które da się wykryć. Chodzi o pierwotne fale grawitacyjne, czyli zmarszczki czasoprzestrzeni powstałe w bardzo wczesnym wszechświecie. Jeśli teoria jest słuszna, ich zapis mógłby nosić charakterystyczne cechy takiego epizodu. Dr Sudipta Show z IIT Kanpur podkreśla, że to nowy sposób na badanie ewolucji wczesnego wszechświata.
Co to oznacza w praktyce
Na razie to wyłącznie model teoretyczny. Nie wykryto ani takiego neutrina, ani opisanych śladów w fali grawitacyjnych. Dla zwykłego czytelnika oznacza to raczej kierunek poszukiwań niż gotową odpowiedź, ale pokazuje, że nawet cząstki uznawane za nieistotne mogą zmieniać obraz kosmologii.
Temat dotyczy też Polski i Europy w sensie naukowym. Polscy fizycy uczestniczą w międzynarodowych projektach badających cząstki i fale grawitacyjne, a kolejne generacje detektorów mają być coraz czulsze. To, czy takie sygnały uda się kiedyś odczytać, zależy od rozwoju tych instrumentów. Do czasu ewentualnego potwierdzenia hipoteza pozostaje jedną z wielu propozycji wyjaśnienia, dlaczego materia wygrała.
Źródło: ScienceDaily – „Scientists say a forgotten particle may explain why the universe exists”