Рождение мира из хаоса: поиск космических "бабушек и дедушек" откроет тайну мироздания

Иногда самые фантастические идеи, отвергнутые наукой прошлого, находят неожиданное подтверждение в теориях будущего. Более века назад лорд Кельвин представлял атомы как узлы в гипотетическом эфире — концепция, считавшаяся бесперспективной. Сегодня же японские физики возродили это представление, вплетя его в новую космологическую модель, которая предлагает решение одной из величайших загадок: почему наша Вселенная состоит из материи, а не была уничтожена в результате аннигиляции с антиматерией.

Рождение Вселенной из узла

Согласно стандартной модели физики, Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. По данным CERN, при столкновении эти частицы аннигилируют, превращаясь в энергию. Следовательно, космос должен был стать пустым пространством, заполненным излучением. Однако мы существуем в мире, состоящем из материи, где на каждый миллиард пар частиц и античастиц выжила лишь одна лишняя частица материи. Этот ничтожный, но критически важный дисбаланс и является предметом интенсивных исследований.

Стандартная модель физики элементарных частиц, несмотря на свою точность, не может объяснить этот перекос. Её предсказания для процесса бариогенеза — возникновения избытка барионов — недотягивают до наблюдаемых значений на несколько порядков. Это означает, что учёным необходимо искать теории за пределами общепринятой модели, которые могли бы естественным образом создать необходимую асимметрию в первые мгновения после Большого взрыва.

Именно это и сделала группа исследователей, включающая профессора Мунето Нитта из Международного исследовательского центра науки и метаузловой хиральности (WPI-SKCM²) при Университете Хиросимы. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, постулирует существование короткой, но решающей "эры доминирования узлов". В этот период стабильные топологические структуры — узлы — ненадолго стали главным компонентом Вселенной, а их последующий коллапс породил тот самый избыток материи.

"Это исследование посвящено одной из самых фундаментальных загадок физики: почему наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии", — заявил профессор Мунето Нитта.

Как могло выглядеть образование таких узлов? В турбулентной среде ранней Вселенной фазовые переходы — подобные замерзанию воды — могли создавать одномерные трещины в пространстве-времени, известные как космические струны. В предложенной модели именно их взаимодействие привело к рождению стабильных узлов.

Симметрии, которые создали мир

Новаторство японских учёных заключается в объединении двух теоретических расширений Стандартной модели, которые ранее изучались изолированно: симметрии Печчеи-Куинна (PQ) и симметрии барионного числа минус лептонного числа (B-L). Каждая из них решает свою фундаментальную проблему. Симметрия Печчеи-Куинна объясняет, почему сильные ядерные взаимодействия не нарушают CP-инвариантность, и предсказывает существование аксиона — гипотетической частицы, являющейся кандидатом на роль тёмной материи.

Симметрия B-L, в свою очередь, проливает свет на загадку массы нейтрино. Согласно Physical Review Letters, эта симметрия объясняет, почему эти почти невесомые и слабовзаимодействующие частицы всё же обладают ненулевой массой. Интеграция этих двух симметрий в единую теоретическую рамку позволила получить совершенно новые, неожиданные результаты, включая механизм формирования устойчивых узлов.

Команда, в которую также вошли Минору Это из Университета Хиросимы и Университета Ямагаты и Ю Хамада из Немецкого электронного синхротрона (DESY), поступила следующим образом: они сохранили симметрию PQ как глобальную, но "измерили" симметрию B-L, превратив её в локальную силу. Этот теоретический приём естественным образом ввёл в модель тяжёлые правые нейтрино — частицы, играющие ключевую роль в многих сценариях бариогенеза.

Что даёт такое объединение на практике? Оно создаёт условия для сверхпроводящего поведения в первичной плазме, что обеспечивает магнитную основу, необходимую для стабилизации узлов. Магнитные трубки, порождённые симметрией B-L, и сверхтекучие вихри от симметрии PQ, связываясь, образуют солитон — устойчивую узловую структуру, способную пережить бурную раннюю эпоху Вселенной.

Почему стабильность узлов была лишь временной? Как и многие метастабильные системы, они в конечном счёте распутались благодаря квантовому туннелированию — эффекту, позволяющему преодолевать энергетические барьеры, недоступные с классической точки зрения. Этот коллапс и стал тем самым событием, которое переписало историю космоса.

Эпоха доминирования узлов и её наследие

В расширяющейся Вселенной плотность энергии излучения падает быстрее, чем плотность энергии структур, ведущих себя как материя. Узлы, с их медленной потерей энергии, очень быстро стали доминирующим компонентом космоса. Наступила та самая "эра доминирования узлов". Однако их стабильность была обманчивой. Квантовые процессы привели к их катастрофическому коллапсу, который высвободил колоссальное количество энергии и частиц.

Среди этих продуктов распада ключевую роль сыграли тяжёлые правополяризованные нейтрино. Будучи нестабильными, они практически мгновенно распадались на более лёгкие частицы, но с едва заметным предпочтением в сторону материи. Именно этот крошечный перекос в их распаде и стал семенем, из которого выросла вся видимая Вселенная.

"По сути, этот коллапс порождает огромное количество частиц, включая правополяризованные нейтрино, скалярные бозоны и калибровочные бозоны, подобно дождю, — пояснил Ю Хамада. — Среди них правополяризованные нейтрино особенны, поскольку их распад может естественным образом создавать дисбаланс между материей и антиматерией".

Можно ли сказать, что эти нейтрино — прародители всего сущего? Хамада образно называет их "родителями всей материи", в то время как сами узлы удостаиваются титула "бабушек и дедушек". Этот каскад распадов не только создал асимметрию, но и привёл к повторному нагреву Вселенной, что является crucial moment для закрепления возникшего дисбаланса.

Какой след оставил этот процесс? Модель предсказывает специфическое искажение реликтового фона гравитационных волн. Этот уникальный сигнал может быть обнаружен обсерваториями следующего поколения, такими как LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), Cosmic Explorer и японская DECIGO.

Проверка теории: на пути к экспериментальному подтверждению

Главное преимущество новой теории — её проверяемость. В отличие от многих умозрительных космологических моделей, она оставляет чёткий наблюдаемый след. Коллапс узлов и последующий повторный нагрев Вселенной до температур около 100 ГэВ должны были оставить характерный отпечаток в спектре гравитационных волн. Именно на его поиски и будут направлены усилия научных коллабораций в ближайшие десятилетия.

Каковы шансы обнаружить этот сигнал? Проекты вроде LISA и DECIGO специально разработаны для работы в том диапазоне частот, где, согласно расчётам, должен находиться предсказанный сигнал. Если он будет обнаружен, это станет мощным аргументом в пользу предложенного сценария. Если же нет — теория будет либо опровергнута, либо потребует серьёзной доработки.

"Космические струны — это тип топологических солитонов, объектов, определяемых величинами, которые остаются неизменными независимо от степени их скручивания или растяжения, — сказал Минору Это. — Это свойство не только обеспечивает их устойчивость, но и означает, что наш результат не привязан к конкретным деталям модели".

Что мешает проверить эту теорию прямо сейчас? Современные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO и Virgo, не обладают достаточной чувствительностью в нужном частотном диапазоне. Однако запуск космических миссий, запланированный на 2030-е годы, откроет новое окно во Вселенную, позволив "услышать" эхо тех далёких событий.

Какие шаги необходимо предпринять дальше? Как отметил профессор Нитта, следующим этапом является уточнение теоретических моделей и проведение сложных компьютерных симуляций, которые более точно опишут процесс формирования и распада узлов, а также позволят точнее предсказать характеристики ожидаемого гравитационно-волнового сигнала.

Топологические структуры и их роль в космологии

Идея о том, что топологические дефекты могли играть ключевую роль в эволюции Вселенной, не нова. Космические струны, доменные стенки и монополи давно рассматриваются теоретиками как возможные "архитекторы" крупномасштабной структуры космоса и источники первичных неоднородностей. Однако модель японских учёных выводит эту идею на новый уровень, связывая микроскопическую физику элементарных частиц с макроскопической структурой всего мироздания.

В чём принципиальное отличие узлов от других топологических дефектов? Их стабильность и трёхмерная структура. В то время как космические струны являются одномерными объектами, а доменные стенки — двумерными, узлы представляют собой сложные трёхмерные конфигурации, чья стабильность гарантирована топологией — математической неизменностью определённых свойств при непрерывных деформациях.

Как современные технологии позволяют изучать такие гипотетические объекты? Прямое наблюдение космических струн или узлов пока невозможно. Однако их существование можно выявить по косвенным признакам: по гравитационному линзированию, по влиянию на космический микроволновый фон и, как в данном случае, по гравитационным волнам. Именно последний метод считается наиболее перспективным.

Существуют ли аналоги таких процессов в конденсированных средах? Как ни удивительно, да. Физики наблюдают образование топологических дефектов и солитонов в сверхтекучих жидкостях и сверхпроводниках. Изучение этих аналогов помогает лучше понять процессы, которые, согласно теории, могли происходить в ранней Вселенной.

Каковы практические шаги для моделирования этих процессов? Учёные используют суперкомпьютеры для численного моделирования фазовых переходов в ранней Вселенной и образования топологических дефектов. Эти симуляции помогают предсказать плотность таких объектов и характеристики их гравитационно-волнового излучения.