Источник фото: IceCube/NSF
Гипотетическая частица, которую физики называют «правозакрученным» нейтрино, могла в первые мгновения после Большого взрыва накопить больше энергии, чем всё остальное содержимое молодой Вселенной вместе взятое. Такую версию выдвинули исследователи в работе, опубликованной 8 сентября в журнале Physical Review Letters. Если построения авторов верны, эта частица способна объяснить, почему после Большого взрыва материя взяла верх над антиматерией и мир вообще смог возникнуть.
Нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом: типичная частица, рождённая на Солнце, прежде чем задеть хотя бы один атом, пролетела бы сквозь свинцовую плиту толщиной в световой год — около 9,5 трлн километров. Известны три типа нейтрино, и в пути они переходят из одного в другой, а такой эффект возможен лишь при наличии массы. При этом Стандартная модель физики элементарных частиц предписывает им быть безмассовыми.
Одно из популярных объяснений связано с «правозакрученными» нейтрино. Частицы вращаются наподобие волчков, и физики называют их левыми или правыми в зависимости от направления вращения относительно движения. Все зарегистрированные до сих пор нейтрино относятся к левым. Как пояснил Live Science соавтор работы, физик-теоретик Ришав Рошан из Саутгемптонского университета в Великобритании, правозакрученные нейтрино — гипотетические частицы, не чувствующие слабого ядерного взаимодействия, в отличие от левых собратьев из Стандартной модели. По его словам, у них нет электрического заряда, зато масса у них гораздо больше. Такие частицы могут смешиваться с левыми нейтрино, и это помогает объяснить массу последних и их переходы между типами.
В квантовой физике частицы, способные смешиваться, существуют как смесь двух состояний сразу. В рамках так называемого механизма «качелей» 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. Рошан отметил, что подобные частицы помогают решать и другие загадки — происхождение масс нейтрино, асимметрию материи и антиматерии во Вселенной и природу тёмной материи. По его словам, распады тяжёлых нейтрино оставляли небольшой избыток лептонов, который позже превратился в нынешний перевес материи.
Обычно в эту схему включают три правозакрученных нейтрино, но для объяснения данных хватает двух, поэтому третью частицу физики нередко отбрасывают. Рошан и его коллега Судипта Шоу из Индийского технологического института в Канпуре решили проверить, что эта частица делала после Большого взрыва; в основном примере её масса примерно в 100 трлн раз превышала массу протона. Сначала она носилась почти со скоростью света, и её энергия убывала, как у света, но по мере остывания Вселенной частица замедлялась, и энергия всё больше запиралась в её массе. Доля частицы в общей энергии росла, пока она не стала главенствующей, и так продолжалось до её распада.
По расчётам авторов, такая частица заметно меняла динамику расширения ранней Вселенной, вызывая период господства материи, и это сдвигало моменты включения различных взаимодействий Стандартной модели. Каждое из них запускалось лишь тогда, когда обгоняло расширение пространства, а во Вселенной, где правит тяжёлое нейтрино, расширение шло быстрее, поэтому взаимодействиям приходилось ждать большего охлаждения. Из-за этой задержки более лёгкое правозакрученное нейтрино с массой примерно в 100 млрд масс протона успевало создать наблюдаемое количество материи. Проверить идею напрямую нельзя — частица слишком массивна для ускорителей, поэтому учёные предлагают искать её следы в гравитационных волнах с помощью будущих обсерваторий LISA и SKAO.