Фізики пояснили, чому матерія перемогла антиматерію

Згідно зі стандартною космологічною моделлю, після Великого вибуху матерія й антиматерія мали виникнути в рівних кількостях і взаємно знищитися, залишивши лише випромінювання. Але реальність така, що у Всесвіті домінує матерія - і причина цього досі невідома.

Нове теоретичне дослідження, проведене японськими вченими з Університету Хіросіми, пропонує оригінальне пояснення цієї асиметрії: ключову роль могли зіграти так звані "космічні вузли" - енергетично стабільні утворення, що сформувалися в ранньому Всесвіті.

Як повідомляє Hiroshima University, команда під керівництвом професора Мунето Нітти вперше показала, що подібні вузли можуть виникнути в рамках реалістичних фізичних моделей, які також пояснюють масу нейтрино, природу темної матерії та розв'язують так звану сильну CP-проблему - одну з найдивніших розбіжностей між теорією та експериментом.

Дослідники об'єднали дві важливі симетрії: B-L (баріонне число мінус лептонне) і симетрію Печчі-Квінна, яка пов'язана з гіпотетичною часткою аксіоном. Разом вони дозволяють передбачити появу в ранньому Всесвіті енергетичних структур - магнітних потоків і вихорів, здатних сплітатися в стійкі вузли.

Під час фазових переходів після Великого вибуху, коли симетрії "ламалися" і структура Всесвіту швидко змінювалася, могли виникнути саме такі конфігурації, звані вузловими солітонами. Ці "енергетичні клубки" тимчасово домінували в щільності енергії, витіснивши випромінювання.

Пізніше, як припускають учені, вузли "розплутувалися" за допомогою квантового тунелювання - процесу, за якого частинки проходять енергетичні бар'єри без класичного подолання. Під час розпаду вузлів утворювалися важкі праві нейтрино, які розпадалися вже з невеликою перевагою в бік матерії. Цей асиметричний процес міг і призвести до відомого переважання матерії над антиматерією.

Згідно з розрахунками, температура після "розплутування" вузлів становила близько 100 гігаелектронвольт - якраз у той момент, коли у Всесвіті ще йшли реакції, здатні "перевести" нейтринну асиметрію в баріонну, тобто матеріальну.

Ці вузли також могли залишити після себе унікальні сліди у вигляді гравітаційних хвиль - "фонових коливань" простору-часу, які можна буде зафіксувати в майбутньому за допомогою таких обсерваторій, як LISA, DECIGO і Cosmic Explorer.

"Наша модель уперше показує, що вузли, про які ще в XIX столітті розмірковував лорд Кельвін, можуть відігравати реальну фізичну роль у походженні матерії", - каже Нітта.

Дослідження опубліковано у Physical Review Letters під заголовком Tying Knots in Particle Physics (2025).

Вчені сподіваються, що найближчими роками вдасться не тільки поліпшити теоретичні моделі, а й виявити спостережувані ознаки того, що Всесвіт дійсно пройшов через вузло-доміновану епоху.