В начале своей истории, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была заполнена равным количеством материи и «антиматерии» — частицами, которые являются копиями материи, но с противоположным зарядом. Но затем, когда пространство расширилось, Вселенная остыла. Сегодняшняя Вселенная полна галактик и звезд, состоящих из материи. Куда делась антиматерия и как материя стала доминировать во Вселенной? Это космическое происхождение материи продолжает озадачивать ученых.

Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Цинхуа в Китае открыли новый путь для исследования космического происхождения материи, задействовав «космологический коллайдер».

Не просто коллайдер

Коллайдеры высоких энергий, такие как Большой адронный коллайдер, были построены для производства очень тяжелых субатомных элементарных частиц, которые могут открыть новую физику. Но некоторые новые физики, такие как объяснение темной материи и происхождения материи, могут включать гораздо более тяжелые частицы, требующие гораздо большей энергии, чем может обеспечить искусственный коллайдер. Оказывается, ранний космос мог служить таким суперколлайдером.

Яноу Цуй, адъюнкт-профессор физики и астрономии UCR, объяснил, что широко распространено мнение, что Большому взрыву предшествовала космическая инфляция, эпоха, когда Вселенная расширялась с экспоненциально ускоряющейся скоростью.

«Космическая инфляция создала высокоэнергетическую среду, позволяющую производить новые тяжелые частицы, а также их взаимодействие», — сказал Цуй. «Инфляционная Вселенная вела себя точно так же, как космологический коллайдер, за исключением того, что энергия была в 10 миллиардов раз больше, чем у любого искусственного коллайдера».

Согласно Куи, микроскопические структуры, созданные энергетическими событиями во время инфляции, растягивались по мере расширения Вселенной, что приводило к областям различной плотности в однородной Вселенной. Впоследствии эти микроскопические структуры породили крупномасштабную структуру нашей Вселенной, проявляющуюся сегодня в виде распределения галактик по небу. Цуй объяснил, что новая физика субатомных частиц может быть открыта путем изучения отпечатка космологического коллайдера в сегодняшнем космосе, таком как галактики и космическое микроволновое излучение .

Цуй и Чжун-Чжи Сяньюй, доцент кафедры физики Университета Цинхуа, сообщают в журнале Physical Review Letters, что, применяя физику космологического коллайдера и используя точные данные для измерения структуры нашей Вселенной из предстоящих экспериментов, таких как SPHEREx и 21-сантиметровая линейная томография, тайна космического происхождения материи может быть разгадана.

«Тот факт, что в нашей современной Вселенной преобладает материя, остается одной из самых сложных и давних загадок современной физики», — сказал Цуй. «Тонкий дисбаланс или асимметрия между материей и антиматерией в ранней Вселенной необходим для достижения сегодняшнего господства материи, но не может быть реализован в известных рамках фундаментальной физики».

Лептогенез в помощь

Цуй и Сяньюй предлагают проверить лептогенез — хорошо известный механизм, объясняющий происхождение асимметрии барионов — видимого газа и звезд — в нашей Вселенной. Если бы Вселенная началась с равных количеств материи и антиматерии, они аннигилировали бы друг друга в фотонное излучение, не оставив ничего. Поскольку материя сегодня намного превосходит антиматерию, для объяснения дисбаланса требуется асимметрия.

«Лептогенез является одним из наиболее убедительных механизмов, порождающих асимметрию материи и антиматерии », — сказал Цуй. «Это связано с новой фундаментальной частицей, правым нейтрино. Однако долгое время считалось, что проверка лептогенеза почти невозможна, потому что масса правого нейтрино обычно на много порядков превышает досягаемость самой высокой энергии. когда-либо построенный коллайдер, Большой адронный коллайдер».

В новой работе предлагается проверить лептогенез путем расшифровки подробных статистических свойств пространственного распределения объектов в наблюдаемой сегодня космической структуре, напоминающей микроскопическую физику во время космической инфляции . Исследователи утверждают, что эффект космологического коллайдера позволяет производить сверхтяжелые правые нейтрино в инфляционную эпоху.

«В частности, мы демонстрируем, что существенные условия для генерации асимметрии, включая взаимодействия и массы правых нейтрино, которые здесь играют ключевую роль, могут оставлять отчетливые отпечатки пальцев в статистике пространственного распределения галактик или космического микроволнового фона и могут быть точно измерены», — сказал Цуй. «Астрофизические наблюдения, ожидаемые в ближайшие годы, потенциально могут обнаружить такие сигналы и раскрыть космическое происхождение материи».