Dlaczego materia nie zniknęła po Wielkim Wybuchu? Nowy trop wskazuje na ukryte neutrino

Obowiązujące teorie fizyczne sugerują, że tuż po Wielkim Wybuchu powstawały niemal identyczne ilości materii i antymaterii. Gdyby ten bilans pozostał doskonale wyrównany, cząstki i antycząstki zniszczyłyby się nawzajem bez reszty, a wszechświat nigdy nie wykształciłby galaktyk, gwiazd ani planet. Mimo to materia jakimś sposobem ocalała, a nauka wciąż nie ma na to w pełni satysfakcjonującego wytłumaczenia.

Zespół badaczy z Wielkiej Brytanii i Indii zaproponował koncepcję, która może przybliżyć rozwiązanie tej łamigłówki. Kluczową postacią w ich teorii jest teoretyczna, bardzo masywna odmiana neutrina, które przez długi czas funkcjonowało niemal w izolacji od reszty cząstek. Dopiero jego powolny rozpad miał - zdaniem autorów - przekształcić warunki panujące we wczesnym kosmosie i przechylić szalę na korzyść zwykłej materii.

Materia powinna przegrać z antymaterią. Coś poszło jednak inaczej

Każda cząstka ma swój antymaterialny odpowiednik - elektronowi odpowiada pozyton, protonowi antyproton. Mimo identycznej masy różnią się one pewnymi cechami, choćby znakiem ładunku elektrycznego. Gdy cząstka zderza się ze swoją antycząstką, dochodzi do anihilacji - obie znikają, a ich energia trafia do innych form, najczęściej fotonów. We wczesnym wszechświecie takie zjawiska były na porządku dziennym.

Gdyby ilości materii i antymaterii były dokładnie równe, niemal wszystkie cząstki uległyby wzajemnej zagładzie. Fakt, że obserwujemy dziś bogaty we wszystko kosmos, dowodzi, że już na bardzo wczesnym etapie jego istnienia musiała powstać drobna, ale kluczowa przewaga materii.

Redakcja Spider's Web przywoływała już koncepcję polskiego naukowca Nikodema Popławskiego, który tłumaczył powstanie tej nierównowagi oddziaływaniem pierwotnych czarnych dziur z materią i antymaterią. Tym razem naukowcy sięgają po inny mechanizm - oparty na zachowaniu cząstek elementarnych. To wciąż jedna z najtrudniejszych zagadek współczesnej fizyki, ponieważ znane nam procesy różnicujące materię i antymaterię są zbyt słabe, by wyjaśnić skalę zjawiska, które obserwujemy w dzisiejszym wszechświecie.

Zapomniane neutrino mogło przejąć kontrolę nad młodym wszechświatem

Autorami nowej koncepcji są Rishav Roshan z University of Southampton i Sudipta Show z Indian Institute of Technology Kanpur. Naukowcy skupili się na modelu zakładającym, że poza trzema znanymi typami neutrin mogą istnieć także ich znacznie masywniejsze, teoretyczne odpowiedniki.

Neutrina to jedne z najtrudniej uchwytnych cząstek we wszechświecie - pozbawione ładunku elektrycznego, niemal nie wchodzą w interakcje ze zwykłą materią. W każdej sekundzie przenikają przez nasze ciała w ogromnych ilościach, nie zostawiając po sobie żadnego śladu.

W czerwcu informowaliśmy o pierwszych istotnych wynikach chińskiego obserwatorium JUNO, które bada oscylacje neutrin i pomaga określać ich cechy. Najnowsza praca dotyczy jednak zupełnie innej kategorii cząstek - hipotetycznych i znacznie cięższych od tych, które rejestrują obecne detektory.

Model opisany przez badaczy zakłada istnienie trzech ciężkich neutrin prawoskrętnych. Dwa z nich biorą udział w mechanizmie tłumaczącym niewielkie masy zwykłych neutrin. Trzecie jest tak luźno powiązane z resztą cząstek, że w wielu dotychczasowych obliczeniach jego oddziaływanie na losy kosmosu po prostu pomijano.

Roshan i Show dowiedli matematycznie, że takie podejście może być błędne. Jeżeli najcięższe z neutrin przetrwało odpowiednio długo, jego los mógł odmienić cały przebieg ekspansji młodego wszechświata.

Jedna cząstka zmieniła warunki. Materia mogła na tym zyskać

Zgodnie ze standardowym opisem, w pierwszych chwilach istnienia wszechświata tempo jego rozszerzania wyznaczała głównie energia promieniowania oraz pędzących z ogromną prędkością cząstek. Teoretyczne ciężkie neutrino mogło jednak przetrwać na tyle długo, że po spowolnieniu zaczęło zachowywać się podobnie do zwykłej materii. Jego udział w ogólnym bilansie energetycznym kosmosu rósł z czasem, aż w pewnym momencie zdominował sytuację.

Oznaczałoby to pojawienie się dodatkowego etapu w historii wszechświata, którego nie uwzględniano w wielu wcześniejszych modelach kosmologicznych. Zmiana tempa ekspansji pociągała za sobą zmianę warunków, w jakich zachodziły interakcje między innymi cząstkami. W pracy opublikowanej w Physical Review Letters autorzy zbadali, jak zjawisko to wpływa na procesy związane z bozonem Higgsa. Okazało się, że przy odpowiednio dobranych parametrach modelu temperatura, przy której jeden z takich procesów osiągał równowagę, mogła być nawet około 7 razy niższa niż przewiduje standardowy scenariusz.

Warto pamiętać, że w młodym wszechświecie to właśnie temperatura decydowała, które reakcje między cząstkami mogły zachodzić i z jaką intensywnością. Przesunięcie momentu osiągania równowagi przez poszczególne procesy mogło więc mieć bezpośredni wpływ na narodziny przewagi materii.

Neutrino nie musiało samo tworzyć materii. Wystarczyło, że zmieniło zasady

Opisywany mechanizm łączy się z tzw. leptogenezą - jedną z hipotez tłumaczących, jak drobne początkowe różnice między cząstkami a antycząstkami mogły z czasem przerodzić się w obserwowaną dziś dominację materii. Upraszczając, niektóre ciężkie neutrina mogły rozpadać się w sposób prowadzący do nierównowagi między leptonami a antyleptonami. Kolejne procesy zachodzące w rozgrzanym do granic możliwości wszechświecie mogły częściowo zamienić tę nierównowagę w przewagę materii, z której zbudowane są dzisiejsze atomy.

Najcięższe, praktycznie odizolowane neutrino nie musiało bezpośrednio wytwarzać owej asymetrii. Jego zadaniem było raczej modyfikowanie tempa ekspansji wszechświata, a tym samym warunków, w jakich działały pozostałe cząstki. Naukowcy wykazali także, że sam rozpad ciężkiego neutrina mógł zwiększać poziom entropii, co z kolei osłabiało wcześniej wytworzoną asymetrię. Ostateczny efekt zależy więc od kilku powiązanych ze sobą procesów, nie zaś od działania pojedynczej cząstki.

Nowa teoria nie oznacza zatem, że fizycy odnaleźli neutrino, które samodzielnie odpowiada za powstanie całej materii we wszechświecie. Pokazuje raczej, że czynnik dotąd pomijany w obliczeniach mógł mieć znacznie poważniejszy wpływ na kosmiczną ewolucję, niż dotychczas sądzono.

Ślady mogą być tak naprawdę ukryte w falach grawitacyjnych

Najciekawszy jest fakt, że hipoteza niekoniecznie musi pozostać wyłącznie teoretycznym ćwiczeniem matematycznym. Zmiany w tempie ekspansji wczesnego wszechświata mogły pozostawić po sobie ślad w widmie pierwotnych fal grawitacyjnych. Takie sygnały różniłyby się od tych, które powstają dziś podczas zderzeń czarnych dziur - ich źródłem byłyby procesy zachodzące w ekstremalnie gorącym kosmosie, na długo przed uformowaniem się pierwszych gwiazd.

Obecnie działające detektory LIGO, Virgo i KAGRA wykrywają fale grawitacyjne powstające przy zderzeniach odległych obiektów, jednak sygnały rozważane w omawianej pracy należą do znacznie trudniejszej do uchwycenia kategorii. Ich wykrycie wymagałoby innej czułości aparatury, a być może także technologii obserwacyjnych, które dopiero powstaną.

Autorzy podkreślają również, że ich model przewiduje konkretne zależności między masami neutrin a historią ekspansji wszechświata. Dokładniejsze pomiary właściwości tych cząstek mogłyby z czasem zawęzić liczbę możliwych scenariuszy. Na razie żaden eksperyment nie potwierdził istnienia postulowanego ciężkiego neutrina ani jego wpływu na przewagę materii - badacze wskazali jedynie, jakie konsekwencje wynikałyby z takiego założenia i gdzie warto szukać ich potwierdzenia.

Jedna z największych zagadek fizyki wciąż czeka na odpowiedź

Poszukiwania przyczyn, dla których materia zdominowała antymaterię, toczą się dziś na wielu różnych frontach. Część zespołów bada cząstki w akceleratorach, inne sprawdzają ich właściwości za pomocą coraz precyzyjniejszych eksperymentów.

W lipcu pisaliśmy o nietypowej metodzie przygotowywania schłodzonych cząsteczek radu, która może pomóc w wykrywaniu nieznanych dotąd różnic między zachowaniem materii i antymaterii. Z kolei eksperyment BASE-STEP prowadzony w CERN pozwolił przewieźć antyprotony w specjalnej pułapce, co otwiera drogę do jeszcze bardziej precyzyjnych pomiarów.

Nowa propozycja w żaden sposób nie zastępuje tych kierunków badań - wskazuje jedynie na dodatkowy mechanizm, który mógł działać w czasie, gdy wszechświat był tak gorący i gęsty, że nie istniały jeszcze znane nam dziś atomy.

Losy kosmosu mogły więc zależeć nie tylko od tego, jakie cząstki powstały po Wielkim Wybuchu, ale też od tego, jak długo przetrwały i kiedy zaczęły się rozpadać. Nawet niemal całkowicie odizolowana cząstka mogła odmienić warunki, które ostatecznie zdecydowały o losie całej materii we wszechświecie.