Физики объяснили, почему материя победила антиматерию

Согласно стандартной космологической модели, после Большого взрыва материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах и взаимно уничтожиться, оставив лишь излучение. Но реальность такова, что во Вселенной доминирует материя — и причина этого до сих пор неизвестна.

Новое теоретическое исследование, проведенное японскими учеными из Университета Хиросимы, предлагает оригинальное объяснение этой асимметрии: ключевую роль могли сыграть так называемые «космические узлы» — энергетически стабильные образования, сформировавшиеся в ранней Вселенной.

Как сообщает Hiroshima University, команда под руководством профессора Мунэто Нитты впервые показала, что подобные узлы могут возникнуть в рамках реалистичных физических моделей, которые также объясняют массу нейтрино, природу тёмной материи и решают так называемую сильную CP-проблему — одно из самых странных расхождений между теорией и экспериментом.

Исследователи объединили две важные симметрии: B–L (барионное число минус лептонное) и симметрию Печчи–Куинна, которая связана с гипотетической частицей аксионом. Вместе они позволяют предсказать появление в ранней Вселенной энергетических структур — магнитных потоков и вихрей, способных сплетаться в устойчивые узлы.

В ходе фазовых переходов после Большого взрыва, когда симметрии «ломались» и структура Вселенной быстро менялась, могли возникнуть именно такие конфигурации — называемые узловыми солитонами. Эти «энергетические клубки» временно доминировали в плотности энергии, вытеснив излучение.

Позже, как предполагают ученые, узлы «распутывались» посредством квантового туннелирования — процесса, при котором частицы проходят энергетические барьеры без классического преодоления. При распаде узлов образовывались тяжёлые правые нейтрино, распадавшиеся уже с небольшим перевесом в сторону материи. Этот асимметричный процесс мог и привести к известному преобладанию материи над антиматерией.

Согласно расчётам, температура после «распутывания» узлов составляла около 100 гигаэлектронвольт — как раз в тот момент, когда во Вселенной ещё шли реакции, способные «перевести» нейтринную асимметрию в барионную, то есть материальную.

Эти узлы также могли оставить после себя уникальные следы в виде гравитационных волн — «фоновых колебаний» пространства-времени, которые можно будет зафиксировать в будущем с помощью таких обсерваторий, как LISA, DECIGO и Cosmic Explorer.

«Наша модель впервые показывает, что узлы, о которых ещё в XIX веке размышлял лорд Кельвин, могут играть реальную физическую роль в происхождении материи», — говорит Нитта.

Исследование опубликовано в Physical Review Letters под заголовком Tying Knots in Particle Physics (2025).

Учёные надеются, что в ближайшие годы получится не только улучшить теоретические модели, но и обнаружить наблюдаемые признаки того, что Вселенная действительно прошла через узло-доминированную эпоху.