Учёные нашли бабушек нашей Вселенной: узлы могли решить судьбу материи

Более века назад лорд Кельвин выдвинул идею, что атомы могут быть узлами, завязанными в эфире. Тогда его гипотеза казалась экзотической и вскоре была забыта. Однако новое исследование японских физиков из Хиросимского университета и Института WPI-SKCM2, опубликованное в Physical Review Letters, возвращает к жизни этот образ — теперь уже на уровне элементарных частиц и космологических процессов.

Учёные предполагают, что устойчивые узлы — нотоидные структуры - могли сыграть ключевую роль в том, что Вселенная состоит из материи, а не антиматерии.

Узлы, родившие материю

Одна из величайших загадок физики — почему после Большого взрыва осталась материя, тогда как антиматерия почти полностью исчезла. Согласно стандартной модели, обе субстанции должны были возникнуть в равных количествах и аннигилировать, оставив за собой лишь излучение. Но наблюдаемая Вселенная говорит об обратном: на каждый миллиард пар "материя-антиматерия" выжила всего одна частица материи.

Мунето Нитта, профессор и соавтор работы, пояснил:

"Мы исследуем один из самых фундаментальных вопросов физики — почему существует что-то, а не ничто, почему есть материя, из которой сделаны звёзды, галактики и мы сами".

Новая теория объясняет этот дисбаланс с помощью концепции "эры доминирования узлов" - краткого, но важного этапа ранней Вселенной, когда энергия запутанных топологических структур превышала энергию обычных частиц. По мере их коллапса происходил квантовый выброс частиц, создававший небольшой, но решающий перевес в пользу материи.

А что если именно эти структуры стали первыми "семенами" материи? Тогда привычные атомы можно рассматривать как потомков космических узлов, возникших из фундаментальных полей в первые мгновения после Большого взрыва.

Как две симметрии породили космические узлы

Исследователи объединили две известные теоретические конструкции — симметрию Печчеи-Куинна (PQ) и симметрию барионного числа минус лептонного числа (BL). Каждая из них объясняет разные аномалии стандартной модели.

— PQ-симметрия решает так называемую сильную CP-проблему, объясняя, почему нейтрон не имеет измеримого электрического дипольного момента, и предсказывает существование аксиона - частицы, которую часто называют кандидатом в тёмную материю.
— BL-симметрия объясняет, почему нейтрино обладают малой, но ненулевой массой, и связывается с возможностью бариогенеза - образования материи из симметричной смеси частиц и античастиц.

Минору Это и Ю Хамада, соавторы исследования, показали, что объединение этих симметрий создаёт условия для появления устойчивых топологических узлов. PQ-симметрия остаётся глобальной, обеспечивая аксионную динамику, а BL превращается в локальную силу, порождающую тяжёлые правые нейтрино и создающую магнитную структуру — основу для узлов.

Почему именно сочетание двух симметрий оказалось критическим? Оно образует систему, где магнитные трубки BL соединяются с сверхтекучими вихрями PQ. Через так называемую связь Черна-Саймонса вихрь передаёт заряд магнитной трубке, препятствуя её разрушению. Так рождается стабильный солитон — узел, защищённый топологией.

Эпоха доминирования узлов

После Большого взрыва Вселенная расширялась и охлаждалась, проходя фазовые переходы, подобные превращению воды в лёд. В результате этих переходов возникали одномерные дефекты — космические струны. В рамках новой модели именно эти струны, образованные симметриями PQ и BL, соединялись в сложные узлы.

Сначала энергия этих структур превышала энергию обычного излучения, и наступила короткая эра доминирования узлов. Но устойчивость этих конфигураций была лишь метастабильной: квантовые туннельные эффекты постепенно разрушали их.

"Коллапс происходил как гигантский ливень частиц, включая тяжёлые нейтрино и калибровочные бозоны", — объяснил Ю Хамада.

Тяжёлые нейтрино, предсказанные BL-симметрией, быстро распадались, создавая лёгкие частицы с небольшой асимметрией — чуть больше материи, чем антиматерии. Именно этот микроскопический дисбаланс стал источником всей наблюдаемой материи во Вселенной.

А что если бы узлы не распались? Тогда антиматерия и материя могли бы полностью аннигилировать, и космос остался бы без галактик, планет и жизни.

Подпись на фоне гравитационных волн

Коллапс узлов не только породил материю, но и переписал структуру первичных гравитационных волн. По расчётам исследователей, энергия распада создала повторное разогревание космоса до температуры около 100 ГэВ, сместив частотный спектр гравитационных волн в сторону более высоких диапазонов.

Эти сигналы теоретически доступны для детектирования. Обсерватории следующего поколения — LISA (Европа), Cosmic Explorer (США) и DECIGO (Япония) - смогут "услышать" этот след. Если он будет найден, это станет первым прямым подтверждением существования эпохи доминирования узлов и новой формы бариогенеза.

Почему это важно для физики? Большинство моделей происхождения материи не оставляют наблюдаемых следов. Новая теория, напротив, делает конкретный прогноз, который можно проверить экспериментально в ближайшие десятилетия.

От идей Кельвина к космологии XXI века

Феномен узлов, о котором размышлял лорд Кельвин в XIX веке, получил неожиданное продолжение. Тогда учёный представлял атомы как завязанные в эфире вихри, а теперь идея узлов возвращается — не в метафоре, а как часть реальной физики элементарных частиц.

Мунето Нитта подчёркивает, что никто ранее не объединял PQ и BL-симметрии в единую структуру:

"Это было счастливым совпадением — их комбинация естественно породила устойчивые узлы. Теперь мы хотим уточнить расчёты и симуляции, чтобы предсказать их наблюдаемые следы".

Команда планирует использовать вычислительные модели, чтобы оценить количество и параметры таких узлов, а также уточнить спектр гравитационных волн, который они могли оставить.

А что если эти узлы действительно существовали? Тогда именно они — пережиток идей XIX века — могут оказаться первыми создателями материи, из которой состоит всё во Вселенной.