Dlaczego istniejemy? To pozornie proste pytanie od dziesięcioleci spędza sen z powiek fizykom, którzy próbują wyjaśnić, dlaczego po Wielkim Wybuchu materia zdołała przetrwać, choć wszystko wskazywało, że powinna zniknąć po spotkaniu z antymaterią. Nowa praca naukowców z University of Southampton oraz Indian Institute of Technology w Kanpurze wskazuje na nieoczekiwanego bohatera tej kosmicznej historii: lekceważoną od dekad odmianę neutrina.
WIDEO…
Każda cząstka zwykłej materii ma swoje przeciwieństwo: antycząstkę. Ma ona przeciwny ładunek elektryczny (w przypadku cząstek nim obdarzonych). Gdy cząstka spotyka się z antycząstką, dochodzi do anihilacji. Obie znikają, uwalnia się zaś porcja energii w postaci promieniowania.
Neutrino zmieniło układ sił
Zespół badaczy przedstawił nową teorię narodzin Wszechświata. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Letters”, wydawanym przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne. Praca mierzy się z jedną z największych zagadek współczesnej fizyki: jak to się stało, że tuż po Wielkim Wybuchu materia wzięła górę nad antymaterią.
Zgodnie z obowiązującymi teoriami oba rodzaje materii powinny były wzajemnie się unicestwić, pozostawiając pusty Wszechświat wypełniony jedynie czystą energią. Tymczasem stało się inaczej. My i wszystko, co nas otacza jest zbudowane z materii, a antymateria jest dziś wielką rzadkością. Skąd ta asymetria?
Naukowcy przyjrzeli się neutrinu. To elektrycznie obojętna, niemal pozbawiona masy cząstka, która prawie nie reaguje z materią. Okazało się, że pewna odmiana tej cząstki, znana jako „odsprzężone” ciężkie neutrino, mogła pomóc materii uzyskać przewagę. – Odsprzężone ciężkie neutrino przez długi czas pomijano jako nieistotny szczegół w fizyce cząstek. Jednak rozpada się ono niewiarygodnie powoli. W miarę jak kosmos stygł po Wielkim Wybuchu, cząstka ta żyła na tyle długo, że tymczasowo wpłynęła na gęstość energii Wszechświata. W ten sposób zapoczątkowała okres dominacji materii – mówi dr Rishav Roshan z University of Southampton, jeden z autorów badań.
Ślady zapisane w falach grawitacyjnych
Większość teorii tłumaczących, dlaczego materia pokonała antymaterię, pomijała odsprzężone ciężkie neutrino. Uznawano je za zbyt słabe, by mogło wpływać na inne cząstki. Autorzy nowej pracy wykazali jednak, że ta zapomniana cząstka mogła oddziaływać na asymetrię między materią a antymaterią, która okazała się niezbędna dla naszego istnienia. Odsprzężone neutrino zmieniło temperaturę we wczesnym Wszechświecie, w którym elektrony i inne leptony oddziaływały ze swoimi antycząstkami przy udziale bozonu Higgsa. W efekcie przewagę zyskała materia.
Odkrycie to wpisuje się w szerszy nurt badań nad tak zwaną leptogenezą. To proces, w którym rozpady ciężkich neutrin generują najpierw nadwyżkę leptonów, a następnie procesy elektrosłabe zamieniają część tej nierównowagi w nadmiar barionów, czyli zwykłej materii. Mechanizm ten elegancko łączy dwie z pozoru odrębne zagadki: pochodzenie kosmicznej nadwyżki materii oraz znikome masy neutrin.
– Ta dramatyczna zmiana we wczesnym rozszerzaniu się kosmosu pozostawiła wyraźne, możliwe do wykrycia ślady, na przykład na pierwotnych falach grawitacyjnych. To otwiera przed nami nowe drogi do poznania ewolucji wczesnego Wszechświata po Wielkim Wybuchu – podkreśla współautor pracy, dr Sudipta Show z Indian Institute of Technology.
Źródło: Physical Review Letters
