Зеркальная Вселенная и антиматерия: что скрывается за новой гипотезой

Сегодня космология довольно точно описывает развитие Вселенной после Большого взрыва. Но вопрос о том, почему в ней вообще осталась материя, до сих пор остается открытым. Некоторые исследователи считают, что ответ может скрываться в необычной симметрии. Подробнее — в материале «Рамблера».

Почему что-то вообще существует?

Современная физика исходит из того, что в ранней Вселенной должны были рождаться частицы и античастицы. У электрона есть античастица — позитрон, у протона — антипротон. Если частица и античастица встречаются, они аннигилируются: превращаются в энергию.

Отсюда возникает вопрос: если Большой взрыв создал равное количество материи и антиматерии, то разве они не должны были почти полностью уничтожить друг друга. В итоге Вселенная оказалась бы заполнена в основном излучением, а не звездами, галактиками, планетами и людьми.

Но наблюдаемая Вселенная состоит почти целиком из материи. Это означает, что на самом раннем этапе возник небольшой перекос: на огромное количество пар «частица — античастица» приходилось чуть больше частиц материи. В космологии это называют барионной асимметрией.

По словам советского физика-теоретика Андрея Сахарова, для появления такого перекоса нужны несколько условий: нарушение симметрий между материей и антиматерией, процессы вне теплового равновесия и нарушение сохранения барионного числа. Эти условия были сформулированы еще в 1967 году и до сих пор остаются основой многих моделей происхождения вещества во Вселенной.

Именно эту загадку пытаются объяснить новые гипотезы — от моделей с дополнительными частицами до идей о зеркальной или CPT-симметричной Вселенной.

Что такое CPT-симметрия?

CPT — это сокращение от трех преобразований: charge, parity, time. По-русски их обычно называют зарядовым сопряжением, пространственной инверсией/зеркальным отражением и обращением времени.

Если сильно упростить, речь идет о трех «переворотах» физической картины. При C частицы заменяются античастицами. При P пространство отражается как в зеркале: левое и правое меняются местами. При T направление времени формально разворачивается назад.

CPT-теорема утверждает, что фундаментальные законы физики должны сохраняться при одновременном применении всех трех преобразований — если речь идет о локальной, лоренц-инвариантной квантовой теории поля с обычными физическими предпосылками. То есть мир, где вся материя заменена антиматерией, пространство зеркально отражено, а время обращено, должен подчиняться тем же базовым законам. Именно поэтому CPT-симметрия считается одной из самых глубоких симметрий современной физики.

Космическая паутина: что известно науке о крупнейшей структуре Вселенной

CPT-симметрия — прежде всего математическое свойство физических законов. Но некоторые космологи задают следующий вопрос: что, если эту симметрию нужно применять не только к отдельным частицам, а ко всей Вселенной целиком?

Откуда взялась идея зеркальной Вселенной?

Одна из самых известных моделей такого типа была предложена физиками Лэтэмом Бойлом, Кираном Финном и Нилом Туроком. В 2018 году они опубликовали работу CPT-Symmetric Universe, где предположили, что Большой взрыв можно рассматривать не как начало только одной Вселенной, а как границу между двумя связанными областями: нашей Вселенной после Большого взрыва и анти-Вселенной до него. Вторая область в такой модели является CPT-отражением нашей: в ней меняются заряд, пространственная ориентация и направление времени.

С точки зрения наблюдателя внутри нашей Вселенной время идет от Большого взрыва вперед. В зеркальной области оно также идет «вперед» для ее собственных наблюдателей, но относительно нас это направление выглядело бы обратным. Поэтому популярная формулировка «там время идет назад» не значит, что где-то существует мир, где люди проживают жизнь от старости к детству. Речь идет о симметричном математическом описании космологической структуры.

Нил Турок позднее объяснял эту идею как более экономную альтернативу некоторым стандартным допущениям космологии. В модели CPT-симметричной Вселенной Большой взрыв становится своего рода зеркальной границей, а две стороны вместе сохраняют общую симметрию.

Почему об этом заговорили снова?

Поводом для новой волны обсуждений стала работа, опубликованная в журнале The European Physical Journal C. В ней рассматривается идея, что локальное нарушение CPT-симметрии в ранней Вселенной могло быть связано с появлением зеркального мира и помочь объяснить дисбаланс между материей и антиматерией. Авторы связывают асимметрию с различием между инфлатонным и антиинфлатонным полями — гипотетическими полями, участвующими в фазе быстрого расширения ранней Вселенной.

Смысл гипотезы в том, что общая система из двух связанных Вселенных может сохранять CPT-симметрию в целом, но внутри каждой отдельной «половины» возникает локальный перекос. В нашей Вселенной этот перекос проявился бы как небольшое преимущество материи. В зеркальной — наоборот, мог бы проявиться соответствующий баланс в сторону антиматерии.

Для физиков это интересно потому, что проблема барионной асимметрии до сих пор не имеет окончательного решения. Стандартная модель частиц действительно содержит некоторые механизмы нарушения CP-симметрии, но их недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое количество материи. Поэтому ученые продолжают искать дополнительные механизмы — через нейтрино, инфляцию, темную материю, новые поля или альтернативные космологические сценарии.

Причем здесь инфляция?

Инфляцией называют гипотетический период сверхбыстрого расширения Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва. Эта идея помогает объяснить, почему наблюдаемая Вселенная так однородна на больших масштабах и почему ее геометрия близка к плоской.

В инфляционных моделях обычно вводится особое поле — инфлатон. Оно должно было управлять стремительным расширением, а затем передать энергию обычным частицам в процессе, который называют разогревом ранней Вселенной.

В новой гипотезе этот этап представляется важным моментом. Если инфлатон и его зеркальный аналог в «анти-Вселенной» вели себя немного по-разному, это могло изменить условия разогрева и привести к различному количеству частиц и античастиц. Даже крошечной разницы было бы достаточно: для появления привычной материи нужен не огромный перекос, а всего лишь небольшой избыток вещества над антивеществом.

Но здесь важно сделать оговорку. Инфляция сама по себе — широко обсуждаемая, но не во всех деталях доказанная часть космологии. А конкретные модели зеркальной Вселенной еще более гипотетичны.

Как зеркальная Вселенная объясняет темную материю?

В версии Бойла, Финна и Турока CPT-симметричная модель интересна еще и тем, что предлагает экономное объяснение темной материи. Авторы рассматривают вариант, где в теорию входят правые нейтрино. Один из таких нейтрино мог бы быть стабильным и играть роль частицы темной материи. В их расчете подходящая масса такой частицы составляет около 4,8 × 10⁸ ГэВ.

Это не общепринятое объяснение темной материи, а одна из теоретических возможностей. Но она привлекательна тем, что не требует огромного набора новых сущностей. Модель пытается использовать уже обсуждаемые расширения Стандартной модели, прежде всего связанные с нейтрино.

Нейтрино вообще занимают особое место в таких теориях. Они имеют крайне малые массы, слабо взаимодействуют с веществом и до сих пор оставляют много открытых вопросов. Поэтому многие сценарии ранней Вселенной используют именно нейтринный сектор как возможное окно в физику за пределами Стандартной модели.

Как такую гипотезу можно проверить?

Главная проблема зеркальной Вселенной очевидна: если она существует по другую сторону Большого взрыва или как CPT-отражение нашей Вселенной, напрямую увидеть ее невозможно. Но физики могут находить новые косвенные следы.

В модели Бойла, Финна и Турока есть несколько проверяемых предсказаний. Например, они указывают, что легкие нейтрино должны быть майорановскими частицами, а самый легкий нейтрино — безмассовым. Кроме того, в этой версии не должно быть первичных длинноволновых гравитационных волн, которые обычно ожидаются во многих инфляционных моделях.

Если будущие наблюдения обнаружат сильный сигнал первичных гравитационных волн, некоторые варианты CPT-симметричной космологии окажутся под ударом. Если же такие сигналы не будут найдены, а нейтринные эксперименты дадут подходящие результаты, интерес к этим моделям может усилиться.

Ранее мы писали, могла ли наша Вселенная быть создана в «лаборатории».