Одна из давних загадок Вселенной — почему привычный нам космос вообще существует.

Все дело в том, что сегодня во Вселенной материя и ее антипод, антиматерия, должны образовываться в равных количествах, и эти два противоположно заряженных типа материи аннигилируют друг с другом при контакте. Таким образом, вся материя в ранней Вселенной должна была исчезнуть, как только она сформировалась, нейтрализовав себя при контакте со своим аналогом из антиматерии. То есть космос должен был стать пустым.

Но этого не произошло. Новое исследование выдвигает гипотезу о том, что на раннем этапе существования Вселенной произошел таинственный «толчок», в результате которого образовалось больше материи, чем антиматерии, что привело к дисбалансу и существованию современного космоса. И этот дисбаланс, возможно, также привел к созданию темной материи — таинственной субстанции, которая притягивает к себе привычное нам вещество, но никак с ним не взаимодействует.

Любопытное совпадение

Мы не знаем, что такое темная материя, но с высокой долей вероятности она существует. По расчетам, она составляет около 80% всей материи во Вселенной, что намного превышает массу всех звезд, галактик, пыли и газа, которые мы видим. И хотя темная материя, безусловно, является тяжеловесом в нашей Вселенной, 80%, как ни странно, маловато для доминирующего фактора.

Обычно в физике, когда одно взаимодействие доминирует над другим, первое в конечном счете полностью побеждает. Если в игру не вступают другие физические процессы, две конкурирующие силы редко достигают баланса. Например, когда силы гравитации и электромагнетизма конкурируют внутри звезд, в конечном итоге гравитация всегда побеждает, и звезда коллапсирует. Так что тот факт, что темная материя составляет 80% массы Вселенной, а не 99,99999%, а обычная материя составляет 20%, а не ноль, с точки зрения физики кажется странным.


Состав современной Вселенной.

Проблема усугубляется тем, что, насколько нам известно, процессы образования привычной нам и темной материй не имели абсолютно ничего общего друг с другом. Мы не имеем ни малейшего представления о том, как темная материя возникла в ранней Вселенной, но при этом для объяснения появления обычной материи она не нужна.

Однако темная материя может объяснить парадокс вещества и антивещества. Все дело в том, что в очень-очень ранней Вселенной (когда ей, возможно, было всего несколько секунд) обычная материя находилась в идеальном балансе с антиматерией. Ученые уже проверили это на ускорителях частиц, которые могут воспроизводить экстремальные условия ранней Вселенной: если у вас есть высокоэнергетическая реакция, которая генерирует обычное вещество, у нее есть равные шансы вместо этого сгенерировать антивещество. Но в какой-то момент (мы не знаем точное время, но, скорее всего, Вселенной было максимум пара минут) баланс между материей и антиматерией нарушился, и в итоге обычная материя победила, а антивещество кануло в лету.

Итак, с одной стороны, мы имеем дело с массовым нарушением симметрии, которое привело к победе обычной материи над антиматерией. С другой стороны, у нас есть совершенно загадочное событие, которое привело к тому, что темная материя стала доминирующей, но не сверхдоминирующей формой материи во Вселенной. Возможно, эти два процесса связаны между собой, и рождение темной материи было связано с победой обычной материи, предполагает новое исследование.

Нарушение симметрии

В исследовании, опубликованном в конце декабря в базе предварительных работ arXiv и еще не прошедшем рецензирование, ученые выдвигают это утверждение, полагаясь на то, что называется симметрией барионного числа. Барионы — это все частицы, состоящие из кварков (таких как протоны и нейтроны). Эксперименты показывают, что число барионов, входящих в взаимодействие, должно быть равно числу барионов, выходящих из него (они могут менять «личность», но общее количество должно быть таким же). Такая же симметрия сохраняется и для реакций с участием антикварков.


Антивещество очень похоже на обычное вещество, разница только в зарядах: например, вместо отрицательного электрона есть положительный позитрон.

И эта симметрия подтверждается во всех современных экспериментах, но, должно быть, она была нарушена в раннем космосе — вот как мы получили Вселенную с доминирующим количеством обычного вещества. А в физике каждый раз, когда нарушается симметрия, появляется новый вид частиц, известный как «бозон Голдстоуна», который за это отвечает. (В современной Вселенной, например, пион — это разновидность бозона Голдстоуна, который появляется, когда нарушается симметрия сильного ядерного взаимодействия.)

И исследование предполагает, что темная материя состоит из своего рода бозонов Голдстоуна, связанных с нарушением симметрии барионных чисел в раннем космосе.

Удар по Вселенной

В современных экспериментах симметрия барионного числа никогда не нарушалась, но что-то крайне необычное должно было случиться в ранней Вселенной. Это было жестокое, но недолгое событие, которое исследователи, стоящие за этой идеей, называют «толчком», в результате которого было уничтожено почти все антивещество. И какое бы экзотическое сочетание условий ни произошло, симметрия барионного числа нарушилась — а, значит появился новый бозон Голдстоуна.

Как считают исследователи в новой работе, во время этого необычного события Вселенная оказалась заполнена частицами темной материи. Но затем все условия, которые привели к нарушению симметрии, закончились, и Вселенная вернулась в нормальное состояние. При этом успевшая появиться темная материя, разумеется, осталась.


Вышеуказанный «толчок» произошел в первые несколько минут существования Вселенной — смешное время в сравнении с ее возрастом в 13.8 млрд лет.

Итак, после той первой эпической минуты в истории Вселенной, когда в космос вернулась симметрия, темная материя «спряталась» в тени, чтобы никогда больше не взаимодействовать с нормальной материей. И причина того, что темная и обычная материи существуют в сравнимых количествах, заключается в том, что они были связаны между собой, утверждает исследование. Новая модель не предсказывает точное разделение 80 на 20 между темной и нормальной материей. Но оно предполагает, что причина того, что темная материя и нормальная материя сравнимы по массе, заключается в том, что они возникли в одном и том же событии.

Это очень интересная и интригующая идея, однако она все еще не объясняет, как именно произошло это раннее нарушение симметрии и появились «темные бозоны Голдстоуна». Но это уже тема для совершенно другого исследования.