Одна из давних загадок Вселенной – почему что-то вообще существует?
Она следует из того, что сегодня во Вселенной материя и антиматерия должны существовать в равных количествах, а следовательно эти два противоположно заряженных типа материи должны аннигилировать друг друга при контакте. Таким образом, вся материя во Вселенной должна была исчезнуть, как только она сформировалась, нейтрализуясь при контакте со своим аналогом из антивещества.
Но этого не произошло. Новое исследование выдвигает гипотезу о том, что на раннем этапе существования Вселенной произошёл таинственный “толчок”, в результате которого образовалось больше материи, чем антиматерии, что привело к сегодняшнему дисбалансу. И этот дисбаланс, возможно, также привёл к появлению тёмной материи, таинственной субстанции, которая тянет за собой всё остальное, но не взаимодействует со светом.
Мы не знаем, что такое тёмная материя, но она определённо существует. Она составляет около 80% всей материи во Вселенной, что намного превышает количество звёзд, галактик, пыли и газа, которые мы можем видеть.
И хотя тёмная материя, безусловно, является тяжеловесом в нашей Вселенной, она, как ни странно, не доминирует. Как правило, в физике, когда один процесс доминирует во взаимодействии, он действительно берёт верх. Если в игру не вступает другая физика, то две конкурирующие силы редко уравновешиваются. Например, когда силы гравитации и электромагнетизма конкурируют внутри гигантской звезды, в конечном итоге гравитация всегда побеждает, и звезда коллапсирует. Поэтому тот факт, что тёмная материя составляет 80% массы Вселенной, а не 99,99999%, а обычная материя составляет 20%, а не 0,00001, кажется физикам странным.
Проблема усугубляется тем, что, насколько нам известно, образование регулярной материи и тёмной материи не имели абсолютно ничего общего друг с другом. Мы не имеем ни малейшего представления о том, как тёмная материя возникла в ранней Вселенной, но чем бы она ни была, в настоящее время она выходит за рамки известной физики.
Исследователи подозревают, что в ранней Вселенной обычная материя находилась в идеальном балансе с антивеществом (которое такое же, как обычное вещество, но с противоположным электрическим зарядом). Но в какой-то момент (мы точно не знаем, когда, но, скорее всего, это произошло, когда Вселенной было меньше минуты), баланс между материей и антивеществом сместился, и обычная материя затопила Вселенную, оставив антивещество безвестным.
Итак, с одной стороны, мы имеем дело с массовым нарушением симметрии, которое привело к победе обычного вещества над антивеществом. С другой стороны, у нас есть совершенно загадочное событие, которое привело к тому, что тёмная материя стала доминирующей, но не сверхдоминантной формой материи во Вселенной. Возможно, эти два процесса связаны. В новом исследовании говорится, что обычная материя важнее антивещества.
В исследовании, опубликованном в интернете 29 декабря 2020 года в базе данных препринтов arXivOrg и ещё не прошедшем рецензирование, исследователи делают такое утверждение, полагаясь на то, что называется симметрией барионного числа. Барионы – это все частицы, состоящие из кварков (такие как протоны и нейтроны). Симметрия просто утверждает, что число барионов, входящих во взаимодействие должно быть равно числу барионов выходящих из него (им разрешено менять тип, но общее количество должно оставаться постоянным). Такая же симметрия сохраняется для реакций с участием антикварков.
Эта симметрия царит во всех наших экспериментах в современной Вселенной, но она, должно быть, была нарушена сразу после Большого Взрыва.
А в физике каждый раз, когда нарушается симметрия природы, появляется новый вид частиц, известный как “бозон Голдстоуна”. В современной Вселенной, например, пион – это разновидность бозона Голдстоуна, который появляется, когда нарушается симметрия сильного ядерного взаимодействия.
Возможно, тёмная материя – это своего рода бозон Голдстоуна, связанный с нарушением симметрии барионного числа в ранней Вселенной, предполагает исследование.
Исследователи, стоящие за этой идеей, называют это “ударом”. В наших экспериментах симметрия барионного числа никогда не нарушалась, но что-то захватывающее должно было случиться в ранней Вселенной. Это было жёсткое, но непродолжительное событие, в результате которого было уничтожено почти всё антивещество. И какое бы экзотическое событие ни произошло, симметрия барионного числа нарушилась, и появился новый бозон Голдстоуна.
Таким образом, предполагается, что во время этого необычного события Вселенная была заполнена частицами тёмной материи. Но затем все условия, которые привели к нарушению симметрии, закончились, и Вселенная вернулась в нормальное состояние. К тому времени, однако, было уже слишком поздно; тёмная материя – и всё остальное – остались.
И причина того, что существует (очень примерно) одинаковое количество тёмной материи и обычной материи, заключается в том, что они были связаны между собой, утверждается в исследовании. Новая модель не предсказывает точное разделение 80/20 между тёмной и нормальной материей. Но она предполагает, что причина того, что тёмная материя и нормальная материя находятся в примерно равном балансе, заключается в том, что они возникли в результате одного и того же события.
Это очень интересная и интригующая идея, но она всё ещё не объясняет, как именно произошло это раннее нарушение симметрии.