Нейтрино сбежали после Большого взрыва… и превратились в призраков, которые теперь разгадывают главные тайны космологии

Нейтрино в ранней Вселенной могли вести себя не так, как принято считать. Новая работа физиков из Вашингтонского университета в Сент-Луисе предлагает неожиданное объяснение сразу для нескольких космологических странностей: часть нейтрино, возможно, превратилась в неизвестную ранее форму быстрого излучения. Если гипотеза подтвердится, она поможет разобраться с давними расхождениями в данных о развитии Вселенной.

Команда во главе с Бхупалом Девом разбирает проблему, которая в последние годы все чаще возникает при анализе космологических наблюдений. Данные о крупномасштабной структуре Вселенной и ее ранней эволюции намекают, что нейтрино могли взаимодействовать друг с другом сильнее, чем допускает Стандартная модель. Лабораторные эксперименты на Земле, наоборот, накладывают на такие взаимодействия жесткие ограничения. Иными словами, космология как будто указывает в одну сторону, а физика частиц в лабораториях - в другую.

Авторы предлагают обойти противоречие с другой стороны. По их версии, космологические сигналы, которые сейчас трактуют как следы сильных взаимодействий между нейтрино, могут быть связаны не с самими нейтрино, а с дополнительной компонентой излучения в ранней Вселенной. Речь идет о так называемом темном излучении, то есть о легких и быстрых частицах, которые ведут себя похоже на нейтрино, но не совпадают с ними по всем параметрам.

При наблюдении ранней Вселенной исследователи часто оценивают не конкретный вид частиц, а общее количество быстродвижущегося излучения. Если в картине мира присутствует еще один легкий и быстрый компонент, его вклад легко принять за вклад нейтрино. На этом и строится новая идея: часть нейтрино в какой-то момент могла перейти в другое состояние и превратиться в темное излучение, которое затем оставило похожий след в космологических данных.

Временное окно для такого перехода тоже очерчено довольно жестко. Процесс должен был начаться уже после первичного нуклеосинтеза Большого взрыва, когда во Вселенной сформировались легкие элементы, но еще до возникновения реликтового микроволнового фона. Иначе последствия либо нарушили бы хорошо проверенные расчеты раннего синтеза ядер, либо не совпали бы с картиной, которую сегодня дают наблюдения космического микроволнового излучения.

В этой модели темное излучение берет на себя ту космологическую роль, которую раньше связывали с необычно сильными нейтринными взаимодействиями. При этом схема не сталкивается напрямую с экспериментальными ограничениями, которые действуют для обычных нейтрино. Иными словами, наблюдения можно объяснить без необходимости пересматривать лабораторную физику частиц.

Тут смысл работы не заканчивается. Описанный механизм может быть связан и с другими трудными вопросами современной космологии. Среди них - неопределенности с массами нейтрино и знаменитое напряжение Хаббла, то есть расхождение между разными способами измерить скорость расширения Вселенной. Если радиационный фон в ранней Вселенной действительно был устроен сложнее, чем предполагают стандартные модели, это может повлиять и на расчеты, из которых затем выводят основные космологические параметры.

Исследователи предлагают смотреть на нейтринную космологию шире. Вместо жесткого деления на обычные нейтрино и все остальное работа вводит более гибкую картину, где нейтрино и похожее на них темное излучение могут частично маскировать друг друга. Физики называют это вырожденностью параметров. Именно она, по замыслу ученых, открывает новый путь для объяснения космологических расхождений без конфликта с наземными экспериментами.

Проверить гипотезу удастся только по новым данным. Авторы рассчитывают на следующее поколение измерений реликтового излучения, обзоры крупномасштабной структуры Вселенной и эксперименты 21-сантиметровой космологии, которые должны дать более точную картину ранних эпох. Дополнительные подсказки могут прийти и из лабораторий, где пытаются измерить абсолютную массу нейтрино или ищут стерильные нейтрино. Так что даже если связь нейтрино с темным излучением пока выглядит очень призрачной, полностью спрятаться от наблюдений у этих загадоочных частиц, возможно, уже не получится.