Viens no fundamentālākajiem fizikas jautājumiem ir, kāpēc Visumā vispār pastāv matērija, nevis tikai enerģija vai tukšums. Pētnieki uzskata, ka agrīnajā Visumā matērija un antimatērija radās gandrīz vienādos daudzumos. Kad šīs daļiņas sastopas, tās anihilē un pārvēršas enerģijā. Ja to daudzums būtu bijis pilnīgi vienāds, gandrīz visa matērija varētu būt izzudusi, neatstājot materiālu zvaigžņu, planētu un dzīvības veidošanai.

Jaunais pētījums piedāvā iespējamu daļu no šīs mīklas. Tā autori no Sauthemptonas Universitātes un Indijas Tehnoloģiju institūta Kanpūrā pievērsās maz izprastam neitrīno radiniekam. Neitrīno ir ārkārtīgi viegla daļiņa, kas ar parasto matēriju mijiedarbojas ļoti reti, bet aplūkotais smagais neitrīno ir hipotētiska, daudz masīvāka tā versija.

Aizmirsta daļiņa ar iespējamu ietekmi uz agrīno Visumu

Pētnieki analizēja tā dēvēto “atsaistīto” smago neitrīno. Tā vājā saistība ar citām daļiņām ilgstoši radījusi pieņēmumu, ka tas nespēj būtiski ietekmēt Visuma attīstību. Tomēr aprēķini liecina, ka neparasti ilgais šīs daļiņas mūžs varēja padarīt to nozīmīgāku, nekā iepriekš domāts.

Saskaņā ar pētījumā aplūkoto scenāriju smagais neitrīno pēc Lielā sprādziena varēja izdzīvot pietiekami ilgi, kamēr Visums atdzisa. Uz īsu brīdi tas varēja dominēt Visuma enerģijas blīvumā un izraisīt matērijas dominējošu laikposmu. Šī īslaicīgā dominance varēja mainīt agrīnā Visuma attīstības apstākļus un ietekmēt procesu, kurā matērija galu galā kļuva nedaudz vairāk par antimatēriju.

Pētījuma autors Rīšavs Rošans no Sauthemptonas Universitātes norādīja, ka šis smagais neitrīno ilgstoši ticis uzskatīts par nenozīmīgu daļiņu fizikas “fona detaļu”. Taču, viņaprāt, tā ļoti lēnā sabrukšana nozīmēja, ka, Visumam atdziestot pēc Lielā sprādziena, daļiņa varēja saglabāties pietiekami ilgi, lai uz laiku pārņemtu enerģijas blīvuma dominanci un ierosinātu matērijas dominējošu periodu.

Pētījuma rezultāti publicēti Amerikas Fizikas biedrības zinātniskajā žurnālā Physical Review Letters.

Kā smagais neitrīno varēja ietekmēt matērijas pārsvaru

Iepriekšējos mēģinājumos izskaidrot, kāpēc matērija uzvarēja antimatēriju, atsaistītais smagais neitrīno parasti netika iekļauts. Tā kā daļiņa mijiedarbojas ārkārtīgi vāji, tika pieņemts, ka tai būs maza ietekme uz procesiem, kas radīja matērijas un antimatērijas nelīdzsvarotību. Jaunais pētījums šo pieņēmumu apstrīd.

Autori secina, ka pat daļiņa ar ļoti vājām mijiedarbībām varēja netieši mainīt apstākļus, kuros matērija ieguva izšķirošo pārsvaru. Šo nelīdzsvarotību dēvē par matērijas un antimatērijas asimetriju. Precīzi iemesli, kāpēc agrīnajā Visumā matērijas bija nedaudz vairāk, joprojām nav noskaidroti, taču tieši šī mazā atšķirība ļāva daļai matērijas saglabāties pēc tam, kad lielākā daļa daļiņu un antidaļiņu bija anihilējušas.

“Tas, ka mēs vispār pastāvam, pierāda, ka starp matēriju un antimatēriju bija asimetrija,” sacīja Rošans. Viņš skaidroja, ka atsaistītais neitrīno mainīja temperatūru agrīnajā Visumā, pie kuras fundamentālās daļiņas, piemēram, elektroni un citi leptoni, mijiedarbojās ar antidaļiņām, iesaistoties Standarta modeļa Higsa bozonam.

Šī temperatūra, pēc pētnieka teiktā, darbojās kā slēdzis, kas veidoja matērijas un antimatērijas nelīdzsvarotības rašanos. Higsa bozons ir fundamentāla daļiņa, kas saistīta ar mehānismu, kurš daudzām elementārdaļiņām piešķir masu. Pētnieku piedāvātajā scenārijā smagais neitrīno mainīja temperatūras apstākļus, kas noteica svarīgas mijiedarbības ar Higsa bozonu. Tādējādi daļiņa, ko ilgi uzskatīja par nenozīmīgu, varēja ietekmēt to, kā izveidojās matērijas pārsvars.

Pirmatnējie gravitācijas viļņi varētu sniegt pārbaudes iespēju

Teorijai varētu būt nozīme arī agrīnā Visuma izplešanās izpētē. Pētījuma līdzautors Sudipta Šovs no Indijas Tehnoloģiju institūta Kanpūrā sacīja, ka aizmirstā daļiņa, iespējams, būtiski mainīja jaunā Visuma izplešanās vēsturi.

Viņš norādīja, ka šī dramatiskā izmaiņa agrīnajā izplešanās procesā varēja atstāt atšķirīgus, bet nosakāmus nospiedumus, piemēram, pirmatnējos gravitācijas viļņos. Šādi signāli varētu palīdzēt pētīt Visuma attīstību pēc Lielā sprādziena.

Gravitācijas viļņi ir telplaika struktūras svārstības. Zinātnieki uzskata, ka procesi ārkārtīgi agrīnajā Visumā varēja radīt pirmatnējos gravitācijas viļņus, kas saglabā informāciju par tāla laikmeta apstākļiem. Jaunā teorija pieļauj, ka smagā neitrīno īslaicīgā dominance varēja atstāt atpazīstamas pazīmes šajos senajos signālos.

Šādu rakstu atklāšana nākotnē varētu sniegt iespēju pārbaudīt, vai ierosinātā daļiņa patiešām ietekmēja Visuma agrīno attīstību. Pagaidām tas ir tikai teorētisks skaidrojums, taču tas piedāvā jaunu veidu, kā pētīt vienu no dziļākajām kosmoloģijas mīklām — kā matērija izdzīvoja, lai gan tās sastapšanās ar antimatēriju varēja atstāt Visumu gandrīz pilnīgi tukšu.