По законам физики Вселенная должна была остаться пустой: как новая частица объяснила преобладание материи над антиматерией

В наблюдаемой Вселенной вещество преобладает над антивеществом. Это опытный факт, подтвержденный астрофизическими наблюдениями за реликтовым излучением и расчетами первичного ядерного синтеза. Если бы на ранних этапах расширения космоса материя и антиматерия родились в строго равных долях, они полностью уничтожили бы друг друга в процессах взаимной аннигиляции. Вселенная состояла бы исключительно из остывающих квантов света.

Однако этого не произошло. На каждые десять миллиардов пар частиц и античастиц пришлась одна лишняя частица материи. Именно этот микроскопический дисбаланс, сохранившийся после глобальной аннигиляции, послужил строительным материалом для всех галактик, звезд и планет.

Стандартная модель физики элементарных частиц не способна объяснить этот перекос. В конце шестидесятых годов физик Андрей Сахаров сформулировал три базовых условия, при которых в горячей Вселенной может возникнуть избыток вещества:

1. Процессы должны нарушать закон сохранения барионного числа, то есть изменять баланс тяжелых частиц вроде протонов.
2. Законы природы должны нарушать фундаментальную симметрию между частицами и античастицами — комбинированную четность, при которой физический процесс выглядит зеркально с заменой зарядов на противоположные.
3. Реакции должны протекать в неравновесных термодинамических условиях, когда расширение Вселенной идет быстрее, чем скорости установления теплового баланса.

В Стандартной модели различие между поведением вещества и антивещества слишком мало для создания нужного количества материи. Кроме того, по мере охлаждения ранней Вселенной переход электрослабых взаимодействий происходил плавно, без резких скачков плотности или температуры, что исключило необходимое отклонение от термодинамического равновесия. Следовательно, избыток материи указывает на существование неизвестных частиц и взаимодействий.

Тайна массы нейтрино

Первое экспериментальное доказательство неполноты Стандартной модели появилось при обнаружении нейтринных осцилляций на рубеже двадцатого и двадцать первого веков. Физики установили, что нейтрино способны на лету менять свой тип, превращаясь из электронного в мюонное или тау-нейтрино. Этот процесс возможен только в том случае, если частицы обладают массой покоя.

Масса известных нейтрино оказалась поразительно малой: сумма масс трех их разновидностей составляет менее одной десятой доли электронвольта. Для сравнения, электрон тяжелее этой величины в миллионы раз, а самый тяжелый топ-кварк — в сотни миллиардов раз. Стандартный механизм взаимодействия с полем Хиггса не дает удовлетворительного ответа на вопрос, почему масса нейтрино столь сильно подавлена.

Для решения этой проблемы физики разработали механизм обратной пропорциональности масс, получивший название механизма качелей первого рода. Теория предполагает существование тяжелых правосторонних нейтрино, по одному для каждого из трех известных поколений частиц. В отличие от всех остальных фермионов, эти гипотетические частицы электрически нейтральны и не обладают калибровочными зарядами. Это свойство позволяет им иметь собственную майорановскую массу — форму массы, при которой частица одновременно является собственной античастицей.

Когда во Вселенной при охлаждении возникает поле Хиггса, оно связывает обычные легкие нейтрино с тяжелыми правосторонними состояниями. В уравнениях квантовой механики эти взаимодействия образуют единую систему. В результате масса обычного наблюдаемого нейтрино оказывается равна квадрату массы, полученной от бозона Хиггса, деленному на массу тяжелого правостороннего нейтрино.

Возникает строгая обратная зависимость: чем выше масса правостороннего нейтрино в знаменателе, тем ближе к нулю масса обычного нейтрино в числителе. Так исследователи получили математически выверенное объяснение легкости наблюдаемых нейтрино.

Лептогенезис и его энергетический тупик

Тяжелые нейтрино способны объяснить не только собственные массы легких собратьев, но и происхождение всего вещества во Вселенной. Эта концепция называется термическим лептогенезисом.

Спустя доли секунды после Большого взрыва плотность и температура первичной плазмы были колоссальными. Тяжелые нейтрино активно рождались при столкновениях других частиц. По мере остывания плазмы эти гиганты потеряли возможность рождаться снова и начали распадаться на обычные лептоны (например, электроны) и кванты поля Хиггса.

Поскольку расширение Вселенной шло быстрее, чем частицы успевали прийти в тепловое равновесие, распады происходили в неравновесной среде. За счет квантовых эффектов и нарушения зеркальной симметрии тяжелые нейтрино распадались на частицы материи чуть чаще, чем на античастицы. В первичной плазме возник устойчивый избыток лептонов над антилептонами — лептонная асимметрия.

Затем включились процессы, называемые электрослабыми сфалеронами. Это особые топологические переходы в квантовом вакууме, которые нарушают законы сохранения барионов и лептонов по отдельности, но строго сохраняют их разность. Сфалероны преобразовали часть накопленной лептонной асимметрии в избыток барионов — протонов и нейтронов.

Однако классический сценарий лептогенезиса упирается в непреодолимый барьер, известный как предел Дэвидсона — Ибарры. Строгие квантовые вычисления показывают: чтобы разница в вероятностях распадов оказалась достаточной для генерации наблюдаемого количества барионов, масса легчайшего из тяжелых нейтрино обязана превышать миллиард гигаэлектронвольт.

Такая величина массы порождает критическую проблему для всей фундаментальной физики — проблему электрослабой иерархии.

Конфликт с бозоном Хиггса

В квантовой теории поля частицы непрерывно взаимодействуют с вакуумными флуктуациями. Бозон Хиггса, открытый в 2012 году на Большом адронном коллайдере, имеет массу сто двадцать пять гигаэлектронвольт. Однако тяжелые нейтрино, взаимодействуя с полем Хиггса, вносят радиационные поправки в его массу.

Эти поправки растут пропорционально квадрату массы самих тяжелых нейтрино. Если масса нейтрино достигает миллиарда гигаэлектронвольт, квантовые эффекты стремятся увеличить массу бозона Хиггса на многие порядки величины. Единственный способ сохранить массу частицы на наблюдаемом уровне ста двадцати пяти гигаэлектронвольт — вручную задать базовую массу в уравнениях с точностью до десятков знаков после запятой, чтобы она с фантастической аккуратностью нейтрализовала огромную квантовую поправку.

В физике подобная подгонка считается признаком искусственности теории. Параметры, не зависящие друг от друга, не должны случайно компенсировать друг друга до десятых долей процента.

Теоретики пытались понизить требуемую массу тяжелых нейтрино до сотен гигаэлектронвольт. В рамках стандартного механизма качелей это удавалось сделать только через так называемый резонансный лептогенезис. Однако в этом сценарии массы двух разных тяжелых нейтрино требовалось задать почти абсолютно равными — с разницей, сравнимой с шириной их квантового распада, то есть до тысячных долей процента. Другой подход требовал взаимного уничтожения между вкладами в массы нейтрино на разных уровнях теории возмущений. Обе попытки лишь заменяли одну неестественную подгонку на другую.

Решение Спалдинга: недиагональный скаляр

Исследование физика-теоретика Ангуса Спалдинга из Саутгемптонского университета вывело теорию из этого тупика. Он предложил добавить к существующим частицам реальное скалярное поле, которое обозначается греческой буквой фи.

Эта частица является синглетом: у нее нет спина и она не взаимодействует с электромагнитными, слабыми или сильными силами Стандартной модели. Единственный канал ее связи с внешним миром — это прямое взаимодействие с тяжелыми нейтрино.

Ключевой фактор модели заключается в том, что скаляр связывает нейтрино разных поколений между собой. Такое взаимодействие называют недиагональным.

Когда второе тяжелое нейтрино готовится распасться на лептон и бозон Хиггса, квантовая теория допускает для него альтернативный путь взаимодействия. Частица на мгновение переходит в промежуточное виртуальное состояние, состоящее из более легкого нейтрино первого поколения и нового скаляра, после чего это состояние превращается в третье, самое тяжелое нейтрино и завершает распад.

По законам квантовой механики вероятности разных путей распада не просто складываются — они интерферируют. Именно интерференция прямого распада и новой квантовой петли со скаляром создает мощный дополнительный источник нарушения симметрии между веществом и антивеществом.

Согласно правилам квантовых вычислений, этот эффект работает только при строгом соотношении: масса распадающейся частицы должна превышать сумму масс продуктов промежуточного распада. Для второго тяжелого нейтрино это означает, что его масса обязана быть больше массы первого нейтрино плюс масса скаляра.

Главное преимущество схемы Спалдинга заключается в разделении двух процессов: генерации асимметрии и ее последующего стирания. В классических теориях усиление нарушения симметрии неизбежно приводило к ускорению обратных реакций — вымыванию асимметрии, когда образовавшиеся лептоны вступали в повторные столкновения в горячей плазме и вновь обращались в исходные частицы, сводя избыток на нет.

В новой модели сила нарушения симметрии определяется связями скаляра с нейтрино разных поколений. При этом обратные процессы вымывания с участием скаляра остаются пренебрежимо слабыми, поскольку их интенсивность зависит от квадрата константы связи, которая много меньше единицы. Скалярное поле создает условия для преимущественного рождения материи, но не позволяет среде разрушить накопленный результат.

Учет квантовых ароматов и декогеренции

Для построения реалистичной картины мало рассчитать вероятность единичного распада. Необходимо проследить всю историю остывания Вселенной через систему кинетических уравнений, учитывающих поведение частиц в плотной расширяющейся плазме.

В ранних работах физики рассматривали лептоны как единую неразделимую среду. Спалдинг провел расчет с полным учетом трех лептонных ароматов: электронного, мюонного и тау-лептонного.

При экстремально высоких температурах плазма действительно не различает эти типы частиц. Однако по мере расширения и охлаждения космоса термодинамические условия меняются. Когда температура падает ниже одного миллиарда гигаэлектронвольт, взаимодействия с участием тау-лептонов становятся частыми и начинают восприниматься средой обособленно. Затем на уровне сотен тысяч гигаэлектронвольт обособляются мюоны, а следом за ними — электроны.

В этих условиях лептон, рождающийся при распаде тяжелого нейтрино, представляет собой единое квантовое состояние — суперпозицию трех ароматов. Однако частые тепловые удары частиц плазмы разрушают эту квантовую связность. Происходит квантовая декогеренция.

Чтобы описать этот переходный процесс, Спалдинг применил математический аппарат матрицы плотности. В этих уравнениях изменение концентрации частиц во времени зависит от трех независимых слагаемых:

• прямого источника нарушения симметрии при распадах;
• скорости обратного стирания асимметрии при столкновениях;
• скорости разрушения квантовой когерентности из-за постоянных соударений с частицами окружающей плазмы.

Диагональные элементы матрицы описывают фактическую плотность выживших частиц каждого аромата, а недиагональные — степень сохраняющейся между ними квантовой интерференции.

Расчет показал принципиальную важность разделения на ароматы. Разные типы лептонов стираются в плазме с различной скоростью. Даже если обратные процессы почти полностью уничтожают избыток частиц в электронном секторе, асимметрия в секторе мюонов и тау-лептонов успевает стабилизироваться и беспрепятственно переживает дальнейшее расширение Вселенной.

Проверка на электрослабом масштабе

Чтобы окончательно подтвердить жизнеспособность модели, Спалдинг смоделировал сценарий, в котором массы тяжелых частиц опущены до энергий, доступных современной экспериментальной физике.

В расчетах были заданы конкретные параметры:

• масса скалярной частицы составила четыре гигаэлектронвольта;
• масса первого тяжелого нейтрино составила сорок гигаэлектронвольт;
• масса второго тяжелого нейтрино — двести гигаэлектронвольт;
• масса третьего тяжелого нейтрино — одну тысячу гигаэлектронвольт.

В этом наборе параметров нет искусственного совпадения масс: каждое следующее поколение нейтрино ровно в пять раз тяжелее предыдущего. Константы связи остаются малыми, что обеспечивает стабильность квантовых вычислений.

При таких низких энергиях наступает решающий момент: выключение сфалеронов. При охлаждении Вселенной до температуры примерно сто тридцать два гигаэлектронвольта эти вакуумные переходы резко прекращают свою работу. Это устанавливает жесткий временной порог: вся лептонная асимметрия, которая образуется после этого момента, навсегда останется лептонной и не сможет трансформироваться в вещество.

Численное интегрирование уравнений показало, что тяжелое нейтрино массой в двести гигаэлектронвольт успевает распасться и произвести необходимый избыток лептонов строго до того, как сфалероны перестают действовать. Зафиксированная в момент выключения плотность барионов в точности совпала с наблюдаемой величиной — примерно восемь с половиной частиц материи на десять миллиардов фотонов.

Дополнительно автор проверил параметр тонкой настройки масс для обычных нейтрино. Этот критерий оценивает отношение однопетлевых квантовых поправок к полной физической массе частицы. Если значение стремится к нулю, теория считается естественной и не требует искусственной компенсации параметров. В модели Спалдинга эта мера составила всего одну сотую. Это доказывает, что массы легких нейтрино естественным образом определяются механизмом качелей, а теория свободна от внутренних противоречий.

Экспериментальные горизонты

Главное следствие работы Спалдинга — превращение лептогенезиса в экспериментально проверяемую физическую теорию.

Когда массы тяжелых нейтрино оценивались в миллиард гигаэлектронвольт, идея оставалась принципиально непроверяемой: ни один существующий или проектируемый ускоритель не способен достичь подобных энергий. Лептогенезис оставался математически стройной, но оторванной от практики гипотезой.

Снижение шкалы масс до десятков и сотен гигаэлектронвольт перемещает эти частицы в диапазон современных ускорительных комплексов. Тяжелые нейтральные лептоны с массами от сорока до сотен гигаэлектронвольт живут относительно долго по ядерным меркам и распадаются на заметном удалении от точки первичного столкновения. В детекторах коллайдеров они проявляются через характерные следы — смещенные вершины распада.

Поиск таких сигнатур уже включен в долгосрочные программы модернизированного Большого адронного коллайдера высокой светимости, будущего циклического коллайдера в ЦЕРН, а также эксперимента SHiP, нацеленного на регистрацию чрезвычайно редко взаимодействующих частиц. Легкий скаляр с массой в несколько гигаэлектронвольт также можно зафиксировать в высокоточных экспериментах по изучению редких распадов тяжелых мезонов и самого бозона Хиггса.

Таким образом, появление в модели единственной нейтральной скалярной частицы решает сразу комплекс задач. Она устраняет угрозу для массы бозона Хиггса, избавляет космологию от необходимости тонкой подгонки параметров и связывает появление всего вещества во Вселенной с физическими процессами, которые наука способна непосредственно зафиксировать в лабораторных экспериментах ближайших десятилетий.

Источник: arXiv