Почему материи больше чем антиматерии? Теория, отвергнутая 150 лет назад, может дать ответ

Давняя идея физики говорит, что самые малые частицы — это узлы. В XIX веке лорд Кельвин думал, что атомы — это завязанные вихри в «эфире». Его мысль была неверной, но сама идея осталась. Узел обладает простым свойством: его нельзя развязать, не разрезав. Такая устойчивость делает его хорошим примером чего-то долговечного.

Долгое время узлы в физике частиц были идеей на бумаге или частью моделей, далеких от известной нам Вселенной. Но что, если эта идея просто ждала правильного объяснения?

Новая работа группы физиков показывает, как устойчивые завязанные структуры — солитоны — могут появляться в модели, которая дополняет известные законы физики. Ученые также выстраивают цепочку событий из прошлого. В ней эти узлы на время становятся основной формой энергии во Вселенной. Их позднейший распад дает ответ на большой вопрос: почему вещества вокруг нас больше, чем антивещества.

Что такое солитон и почему его нельзя распутать?

Главный рассматриваемый в работе объект — топологический солитон. Его можно представить как устойчивый вихрь. Солитон — это отдельный сгусток энергии, который сам себя поддерживает и не меняет форму при движении.

Есть особый вид таких объектов. Их устойчивость определена не только внутренними силами, но и самой формой поля. Эту форму нельзя выпрямить или развязать. Узлы относятся к такому виду.

Проблема в том, что обычно петли из энергетических струн неустойчивы. Они быстро сжимаются и пропадают, отдавая свою энергию. Как же тогда получить устойчивый узел?

Способ получить устойчивость: два вида струн

Ученые предлагают простой способ, который работает при совместном действии двух разных видов энергетических нитей. Физики называют их космическими струнами. Это гипотетические тонкие трубки энергии, появившиеся в молодой Вселенной при ее остывании.

Первая часть: локальная струна. Она появляется, когда нарушается определенная симметрия, связанная с массой нейтрино. Эта струна — трубка с магнитным полем внутри.

Вторая часть: глобальная струна. Она появляется от нарушения другой симметрии, связанной с частицей темной материи — аксионом. Эта струна больше похожа на вихрь в жидкости и не имеет магнитного поля.

Сами по себе замкнутые петли из струн каждого вида неустойчивы и быстро исчезают. Но что случится, если их сплести?

Как сделать узел неразвязываемым

Суть устойчивости кроется в особом виде их совместного действия. Эффект появляется, только когда два вида струн сплетены.

Когда струна-вихрь обвивает магнитную струну, их сплетение создает электрический заряд на магнитной струне. В итоге вся сплетенная конструкция становится набором заряженных нитей.

А одинаковые электрические заряды отталкивают друг друга. Появляется сила отталкивания, которая давит изнутри наружу. Эта сила мешает силе натяжения струн, которая пытается их сжать.

При верных условиях эти две силы — натяжение и отталкивание — приходят в равновесие. Узел больше не может сжаться, и становится устойчивым. Это и есть узел из энергии, который искали физики.

«Эпоха узлов»: забытая часть истории Вселенной

По этой модели, после Большого взрыва, когда Вселенная остывала, повсюду возникли спутанные нити энергии двух видов. В этом состоянии некоторые из них должны были завязаться в узлы и стать устойчивыми.

Такие узлы — очень тяжелые и живут очень долго. После появления они ведут себя как обычное вещество. В расширяющейся Вселенной энергия света рассеивалась быстрее, чем энергия, запертая в узлах. Значит, когда-то энергия узлов должна была стать больше энергии света.

Так во Вселенной могла начаться неизвестная ранее «эпоха узлов». Целый отрезок времени, когда главная часть энергии была заключена в этих маленьких сплетенных объектах.

Конец эпохи: распад узлов и появление вещества

Даже такая устойчивая вещь не может существовать вечно. Рано или поздно, узлы могли распасться благодаря квантовому эффекту, который позволяет просочиться через барьер, дающий им устойчивость.

Распад узлов по всей Вселенной был огромным событием. Он привел к выбросу большого количества энергии и снова «нагрел» космос. Но главное — то, что получилось после распада.

Модель показывает, что при распаде узлов рождаются тяжелые нейтрино. Эти частицы — основа механизма, который объясняет, как в молодой Вселенной создался небольшой избыток электронов над их античастицами. Позже другие известные физические процессы превратили этот избыток в избыток протонов и нейтронов, из которых и состоит всё сущее.

Так получается полная цепочка событий:

1. В молодой Вселенной появляются два вида струн.
2. Они сплетаются в устойчивые узлы.
3. Наступает эпоха, когда узлы составляют большую часть энергии.
4. Узлы распадаются и создают частицы, которые порождают избыток вещества над антивеществом.

Получится ли это проверить?

Любую хорошую идею нужно иметь возможность проверить. И у этой идеи она есть. И тут снова нужно обратиться к гравитационным волнам.

Сеть космических струн должна создавать ровный фон гравитационных волн. Однако «эпоха узлов» меняет то, как Вселенная расширялась в тот период. Это изменение должно было оставить след в виде небольшого скачка на этом ровном фоне.

Сегодняшние приборы слишком слабы, чтобы это заметить. Но будущие обсерватории, например Cosmic Explorer или DECIGO, смогут искать такие знаки. Если будущие замеры покажут ровный фон гравитационных волн, эта идея будет неверной. Если же они найдут предсказанный скачок — это станет сильным доказательством, что наша Вселенная когда-то была завязана в узел.