Зеркальная Вселенная и антиматерия: что скрывается за новой гипотезой

Сегодня космология достаточно точно описывает развитие Вселенной после Большого взрыва. Но вопрос о том, почему в нем вообще осталась материя, до сих пор остается открытым. Некоторые исследователи полагают, что ответ может заключаться в необычной симметрии. Подробнее читайте в статье а.

Современная физика исходит из того, что частицы и античастицы должны были зародиться в ранней Вселенной. У электрона есть античастица – позитрон, у протона – антипротон. Если частица и античастица встречаются, они аннигилируют: превращаются в энергию.

В связи с этим возникает вопрос: если Большой Взрыв создал равное количество материи и антиматерии, то не должны ли они почти полностью уничтожить друг друга? В результате Вселенная была бы заполнена преимущественно радиацией, а не звездами, галактиками, планетами и людьми.

Но наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи. Это означает, что на очень раннем этапе имел место небольшой дисбаланс: для огромного количества пар частица-античастица было несколько больше частиц материи. В космологии это называется барионной асимметрией.

По мнению советского физика-теоретика Андрея Сахарова, для возникновения такого искажения необходимо несколько условий: нарушение симметрии между веществом и антивеществом, процессы вне теплового равновесия и нарушение сохранения барионного числа. Эти условия были сформулированы еще в 1967 году и до сих пор остаются основой многих моделей происхождения материи во Вселенной.

Именно эту загадку пытаются объяснить новые гипотезы — от моделей с дополнительными частицами до идей о зеркальной или CPT-симметричной Вселенной.

Что такое CPT-симметрия?

CPT — это аббревиатура, обозначающая три преобразования: заряд, четность, время. По-русски их обычно называют сопряжением зарядов, пространственной инверсией/зеркальным отражением и обращением времени.

Если сильно упростить, то речь идет о трех «революциях» физической картины. В точке C частицы заменяются античастицами. В П пространство отражается как в зеркале: левое и правое меняются местами. В точке T направление времени формально меняется на противоположное.

Теорема CPT утверждает, что фундаментальные законы физики должны сохраняться, когда все три преобразования применяются одновременно - если мы говорим о локальной, лоренц-инвариантной квантовой теории поля с обычными физическими предпосылками. То есть мир, в котором вся материя заменена антиматерией, пространство зеркально отражено, а время обращено вспять, должен подчиняться одним и тем же основным законам. Вот почему симметрия CPT считается одной из самых глубоких симметрий в современной физике.

Космическая паутина: что наука знает о крупнейшей структуре Вселенной

Симметрия CPT — это прежде всего математическое свойство физических законов. Но некоторые космологи задаются следующим вопросом: а что, если эту симметрию применить не только к отдельным частицам, но и ко всей Вселенной?

Откуда взялась идея зеркальной вселенной?

Одну из самых известных моделей такого типа предложили физики Лэтэм Бойл, Киран Финн и Нил Турок. В 2018 году они опубликовали работу CPT-Symmetric Universe, где предположили, что Большой взрыв можно рассматривать не как начало одной Вселенной, а как границу между двумя родственными областями: нашей Вселенной после Большого взрыва и антиВселенной до него. Вторая область в такой модели является нашим CPT-отражением: в ней изменяются заряд, пространственная ориентация и направление времени.

С точки зрения наблюдателя внутри нашей Вселенной время движется вперед от Большого взрыва. В зеркальной области оно также идет «вперед» для собственных наблюдателей, но относительно нас это направление выглядело бы обратным. Поэтому популярная формулировка «там время идет вспять» не означает, что где-то существует мир, в котором люди проживают свою жизнь от старости до детства. Речь идет о симметричном математическом описании космологической структуры.

Нил Тьюрок позже объяснил эту идею как более экономную альтернативу некоторым стандартным предположениям космологии. В CPT-модели симметричной Вселенной Большой взрыв становится своего рода зеркальной границей, и обе стороны вместе сохраняют общую симметрию.

Почему они снова об этом говорят?

Новую волну дискуссий вызвала статья, опубликованная в Европейском физическом журнале C. В ней рассматривается идея о том, что локальное нарушение симметрии CPT в ранней Вселенной могло быть связано с появлением зеркального мира и помочь объяснить дисбаланс между материей и антиматерией. Авторы объясняют асимметрию разницей между полями инфлатона и антиинфлатона — гипотетическими полями, участвующими в фазе быстрого расширения ранней Вселенной.

Смысл гипотезы в том, что общая система двух связанных Вселенных может сохранять СРТ-симметрию в целом, но внутри каждой отдельной «половинки» происходит локальное искажение. В нашей Вселенной эта предвзятость проявилась бы как небольшое преимущество материи. В зеркале, наоборот, могло появиться соответствующее равновесие в сторону антиматерии.

Для физиков это интересно, поскольку проблема барионной асимметрии до сих пор не имеет окончательного решения. Стандартная модель частиц действительно содержит некоторые механизмы нарушения CP-симметрии, но их недостаточно для объяснения наблюдаемого количества материи. Поэтому ученые продолжают искать дополнительные механизмы – через нейтрино, инфляцию, темную материю, новые поля или альтернативные космологические сценарии.

Причем здесь инфляция?

Инфляция — это гипотетический период сверхбыстрого расширения Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва. Эта идея помогает объяснить, почему наблюдаемая Вселенная настолько однородна в больших масштабах и почему ее геометрия близка к плоской.

Инфляционные модели обычно вводят особое поле – инфлатон. Это привело бы к быстрому расширению, а затем передало бы энергию обычным частицам в процессе, называемом нагревом ранней Вселенной.

В новой гипотезе этот этап представляется важным моментом. Если бы инфлатон и его зеркальный аналог в «антивселенной» вели себя немного по-разному, это могло бы изменить условия нагрева и привести к разному количеству частиц и античастиц. Даже крошечной разницы было бы достаточно: для появления привычной материи нужно не огромное искажение, а лишь небольшой избыток материи над антиматерией.

Но здесь важно сделать оговорку. Инфляция сама по себе является широко обсуждаемой, но не до конца доказанной частью космологии. А конкретные модели зеркальной Вселенной еще более гипотетичны.

Как зеркальная вселенная объясняет темную материю?

В версии Бойля, Финна и Турока CPT-симметричная модель интересна еще и тем, что предлагает экономное объяснение темной материи. Авторы рассматривают вариант, когда теория включает правые нейтрино. Одно из этих нейтрино могло быть стабильным и играть роль частицы темной материи. По их расчетам, подходящая масса такой частицы составляет около 4,8 × 10⁸ ГэВ.

Это не общепринятое объяснение темной материи, а одна из теоретических возможностей. Но он привлекателен тем, что не требует огромного набора новых сущностей. Модель пытается использовать уже обсуждавшиеся расширения Стандартной модели, особенно те, которые связаны с нейтрино.

Нейтрино вообще занимают в таких теориях особое место. Они имеют чрезвычайно малую массу, слабо взаимодействуют с материей и до сих пор оставляют много открытых вопросов. Поэтому во многих сценариях ранней Вселенной нейтринный сектор используется как возможное окно в физику за пределами Стандартной модели.

Как можно проверить такую ​​гипотезу?

Основная проблема зеркальной Вселенной очевидна: если она существует по другую сторону Большого взрыва или является CPT-отражением нашей Вселенной, увидеть ее напрямую невозможно. Но физики могут найти новые косвенные следы.

Модель Бойла, Финна и Тьюрока содержит несколько проверяемых прогнозов. Например, они указывают, что легкие нейтрино должны быть майорановскими частицами, а легчайшее нейтрино должно быть безмассовым. Кроме того, в этой версии не должно быть первичных длинноволновых гравитационных волн, которые обычно ожидаются во многих инфляционных моделях.

Если будущие наблюдения обнаружат сильный сигнал от первичных гравитационных волн, некоторые версии CPT-симметричной космологии окажутся под угрозой. Если такие сигналы не будут обнаружены и нейтринные эксперименты дадут подходящие результаты, интерес к этим моделям может возрасти.

Ранее мы писали, могла ли наша Вселенная быть создана в «лаборатории».