Физики предложили новое объяснение того, почему после Большого взрыва материя смогла пережить столкновение с антиматерией. Согласно расчётам, решающую роль могла сыграть гипотетическая частица, которая на короткое время стала главным источником энергии молодой Вселенной и изменила ход её расширения.
Исследователи Ришав Рошан из Саутгемптонского университета и Судипта Шоу из Индийского технологического института в Канпуре изучили свойства тяжёлого правого нейтрино, которым обычно пренебрегают в космологических моделях. В работе, опубликованной 8 сентября 2026 года в Physical Review Letters, учёные показали, что такая частица могла заметно изменить условия формирования вещества в первые мгновения существования космоса.
Проблема заключается в том, что ранняя Вселенная должна была содержать почти одинаковое количество материи и антиматерии. При встрече частицы и античастицы уничтожают друг друга, превращая свою массу в энергию. Однако наблюдаемая Вселенная почти целиком состоит из обычного вещества. Физики пока не могут окончательно объяснить, какой процесс создал небольшой избыток материи, благодаря которому впоследствии появились звёзды, планеты и люди.
Авторы исследования обратились к нейтрино, одному из самых трудноуловимых видов элементарных частиц. Нейтрино практически не взаимодействуют с окружающим веществом и способны пролетать огромные расстояния, не сталкиваясь с атомами. Учёным известны три разновидности таких частиц, которые могут превращаться друг в друга во время движения. Подобные осцилляции нейтрино доказывают наличие у них массы, хотя в первоначальной версии Стандартной модели физики элементарных частиц нейтрино считались безмассовыми.
Одно из возможных объяснений связано с существованием правых нейтрино, которые значительно тяжелее известных частиц и не участвуют в слабом взаимодействии, позволяющем обычным нейтрино вступать в контакт с веществом. В рамках механизма «качелей» взаимодействие лёгких и тяжёлых нейтрино позволяет объяснить необычайно малую массу первых. Чем тяжелее гипотетический партнёр, тем меньшую массу может получать обычное нейтрино.
В распространённом варианте подобной модели существуют три тяжёлых правых нейтрино. Для объяснения наблюдаемых свойств известных частиц достаточно двух, поэтому третье, наиболее тяжёлое, часто исключают из дальнейших расчётов. Рошан и Шоу решили проверить, действительно ли им можно пренебречь. В рассмотренном сценарии масса третьей частицы примерно в 100 триллионов раз превышает массу протона, а взаимодействие с остальным веществом настолько слабо, что нейтрино может существовать достаточно долго.
Расчёты показали неожиданную картину. Сразу после рождения такие частицы могли двигаться почти со скоростью света, но по мере охлаждения Вселенной замедлялись. Плотность энергии излучения при расширении пространства уменьшается быстрее, чем плотность энергии массивных частиц. Поэтому тяжёлые нейтрино постепенно могли накопить преобладающую долю всей энергии космоса и на некоторое время определить скорость его расширения.
Подобный период физики называют ранней эпохой доминирования материи. В рассматриваемой модели Вселенная расширялась бы быстрее, чем при обычном преобладании излучения и той же температуре. Разница оказалась существенной для взаимодействий между элементарными частицами. Некоторые реакции могли прийти в равновесие значительно позже, уже после того, как космос остыл до более низких температур.
Особое значение имеет момент, когда взаимодействия с участием заряженных лептонов начинают различать отдельные разновидности частиц. Лептоны представляют собой семейство элементарных частиц, включающее электроны и нейтрино. В ранней Вселенной такие процессы влияли на лептогенез, предполагаемый механизм появления избытка лептонов над антилептонами. Впоследствии часть возникшего дисбаланса могла превратиться в преобладание обычной материи над антиматерией.
Согласно предложенной модели, более быстрое расширение Вселенной задерживало переход между различными режимами лептогенеза. Благодаря изменившимся условиям распад другого, более лёгкого правого нейтрино мог создать наблюдаемый избыток вещества. В одном из рассмотренных вариантов масса такой частицы примерно в 100 миллиардов раз превышала массу протона. При этом распад самого тяжёлого нейтрино дополнительно менял состав и плотность первичной плазмы, частично уменьшая сформировавшуюся асимметрию.
Исследователи также установили связь между продолжительностью существования тяжёлого нейтрино и массой самой лёгкой разновидности обычных нейтрино. Модель допускает чрезвычайно малые значения порядка 10⁻¹²–10⁻¹⁴ электронвольта. Подобные массы находятся далеко за пределами чувствительности современных экспериментов, однако в принципе создают возможность проверить предложенный сценарий, если будущие измерения достигнут необходимой точности.
Другой способ проверки связан с гравитационными волнами, колебаниями пространства-времени, которые могут сохранять информацию о событиях ранней Вселенной. Если тяжёлые нейтрино действительно вызвали дополнительную эпоху доминирования материи, переход между разными режимами расширения мог оставить характерный излом в спектре первичных гравитационных волн. Особенно интересны предполагаемые волны от космических струн, гипотетических сверхтонких структур, которые могли возникнуть при фазовых переходах молодой Вселенной.
Потенциальные следы подобного процесса учёные рассчитывают искать с помощью будущей космической обсерватории LISA, запуск которой запланирован примерно на 2035 год, и радиотелескопического комплекса SKAO, строящегося в Австралии и Южной Африке. Последний сможет исследовать сверхнизкочастотные гравитационные волны по мельчайшим изменениям времени прихода сигналов от пульсаров. Однако обнаружение подходящего спектрального признака само по себе ещё не станет однозначным доказательством существования тяжёлых правых нейтрино.
Пока предложенный механизм остаётся теоретической моделью. Тяжёлые правые нейтрино экспериментально не обнаружены, а их предполагаемая масса слишком велика для прямого рождения на существующих ускорителях. Тем не менее расчёты показывают, что частица, практически не влияющая на измеряемые сегодня свойства нейтрино, могла существенно изменить историю всей Вселенной. Кроме происхождения избытка материи, подобный период расширения способен повлиять на образование тёмной материи и характеристики первичных гравитационных волн.