Мы существуем сегодня благодаря ошибке в 0,0000001%. Физики нашли, кто её совершил

В 1867 году лорд Кельвин представлял атомы сложными узлами в эфире. Теория быстро не выдержала проверки, хотя идея узлов может оказаться полезной для космологии и сегодня.

Спустя полтора века группа японских физиков предложила обновленную версию этой концепции, чтобы подойти к одной из главных загадок Вселенной — почему вокруг так много материи и почти нет антиматерии. В новой работе авторы предполагают существование «космических узлов» — топологически устойчивых переплетений в раннем пространстве-времени. Такие структуры могли разрушаться несимметрично и тем самым слегка склонить весы в пользу материи. По расчетам исследователей, они должны были оставить после себя особый фон гравитационных волн, который будущие детекторы смогут уловить.

По теории Большого взрыва материя и антиматерия родились в равных долях. Частицы и античастицы должны были аннигилировать друг с другом, оставив лишь излучение. Наблюдения говорят об обратном. На каждый миллиард пар «материя — антиматерия» одна частица материи уцелела. Из такой небольшой «лишней» доли выросли атомы, звезды и галактики. Стандартная модель частиц объясняет множество явлений, однако эту асимметрию полностью не описывает.

«Это один из самых фундаментальных вопросов физики. Почему наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии», — говорит руководитель исследования Мунэто Нитта из Хиросимского университета. По его словам, ответ важен еще и потому, что напрямую связан с нашим существованием.

Команда Нитты предлагает механизм бариогенеза на стыке двух идей. Они объединили калибровочную симметрию B−L, где учитывается разность между числом барионов и лептонов, и симметрию Peccei–Quinn, которая связана с так называемой сильной CP-проблемой и вводит гипотетические частицы аксионы — один из кандидатов на темную материю. В такой картине в ранней Вселенной естественным образом возникали нити-дефекты, похожие на трещины в ткане пространства-времени и известные как космические струны. Переносчики потока B−L и вихри PQ могли переплетаться, образуя устойчивые «узлы»-солитоны. Как отмечают авторы, раньше эти две симметрии вместе не рассматривали и именно их сочетание дает стабильный узел.

Со временем узлы распадались через квантовое туннелирование. Этот распад рождал тяжелые правые нейтрино. Их дальнейшие распады в условиях нарушения симметрий приводили к избытку барионов над антибарионами. Оценки показывают, что типичные массы таких нейтрино и энергия при коллапсе узлов поднимали температуру Вселенной примерно до 100 ГэВ. Этого достаточно, чтобы возникшая асимметрия не «смилась» последующей эволюцией и перешла в устойчивую материю.

Авторы ожидают и наблюдательный след. Процесс образования и разрушения узлов менял «хор» гравитационных волн во Вселенной, смещая его к более высоким частотам. Будущие обсерватории вроде европейской LISA, американского Cosmic Explorer и японского DECIGO теоретически смогут заметить это смещение. Если сигнал удастся зарегистрировать, он станет редкой возможностью проверить идеи о самых ранних моментах существования космоса и о том, почему в нем победила материя.