В начале своей истории, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была заполнена равным количеством материи и «антивещества» — частиц, которые являются аналогами материи, но с противоположным зарядом. Но затем, по мере расширения пространства, Вселенная остывала. Сегодняшняя вселенная полна галактик и звезд, состоящих из материи. Куда делась антивещество и как материя стала доминировать во Вселенной? Вопросы космического происхождения материи продолжает озадачивать ученых.

Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Цинхуа в Китае открыли новый путь для исследования космического происхождения материи, задействовав «космологический коллайдер», сообщает phys.org.
Коллайдеры высоких энергий, такие как Большой адронный коллайдер, были построены для получения очень тяжелых субатомных элементарных частиц, которые могут открыть новую физику. Но некоторые новые физики, такие как физика, объясняющая темную материю и происхождение материи, могут включать гораздо более тяжелые частицы, требующие гораздо большей энергии, чем может обеспечить созданный человеком коллайдер. Оказывается, ранний космос мог служить таким суперколлайдером.

Яноу Цуй, адъюнкт-профессор физики и астрономии Калифорнийского университета, пояснил: «Космическая инфляция обеспечила высокоэнергетическую среду, позволившую производить новые тяжелые частицы, а также их взаимодействия. Инфляционная вселенная вела себя точно так же, как космологический коллайдер, за исключением того, что энергия была в 10 миллиардов раз больше, чем у любого созданного человеком коллайдера».
По мнению Цуй, микроскопические структуры, созданные энергетическими событиями во время инфляции, растягивались по мере расширения Вселенной, в результате чего в однородной Вселенной возникали области различной плотности. Впоследствии эти микроскопические структуры заложили основу крупномасштабной структуры нашей Вселенной, проявляющейся сегодня как распределение галактик по небу. Цуй объяснил, что новая физика субатомных частиц может быть раскрыта путем изучения отпечатка космологического коллайдера в сегодняшнем содержимом космоса, таком как галактики и космический микроволновый фон.

Цуй и Чжун-Чжи Сянью, доцент физики Университета Цинхуа, сообщают в журнале Physical Review Letters, что, с использованием физики космологического коллайдера и точных данных для измерения структуры нашей Вселенной из предстоящих экспериментов, таких как SPHEREx и 21-сантиметровая линейная томография, тайна космического происхождения материи может быть разгадана.

«Тот факт, что в нашей современной вселенной доминирует материя, остается одной из самых запутанных и давних загадок в современной физике», — сказал Цуй. «Тонкий дисбаланс или асимметрия между материей и антиматерией в ранней Вселенной необходима для достижения сегодняшнего доминирования материи, но не может быть реализована в известных рамках фундаментальной физики».

Цуй и Сяньюй предлагают проверить лептогенез, хорошо известный механизм, который объясняет происхождение барионной — видимой газовой и звездной — асимметрии в нашей Вселенной. Если бы Вселенная началась с равного количества вещества и антивещества, они бы аннигилировали друг с другом в фотонное излучение, не оставив ничего. Поскольку сегодня материя намного превосходит антивещество, для объяснения дисбаланса требуется асимметрия.

«Лептогенез является одним из наиболее убедительных механизмов, порождающих асимметрию материи и антиматерии», — сказал Цуй. «Это связано с новой фундаментальной частицей, правосторонним нейтрино. Однако долгое время считалось, что тестирование лептогенеза практически невозможно, поскольку масса правостороннего нейтрино обычно на много порядков превышает возможности самого высокоэнергетического из когда-либо построенных коллайдеров — Большого адронного коллайдера.»

В новой работе предлагается проверить лептогенез путем расшифровки подробных статистических свойств пространственного распределения объектов в наблюдаемой сегодня космической структуре, напоминающих микроскопическую физику во время космической инфляции. Исследователи утверждают, что эффект космологического коллайдера позволяет производить сверхтяжелые правосторонние нейтрино во время инфляционной эпохи.

«В частности, мы демонстрируем, что существенные условия для генерации асимметрии, включая взаимодействия и массы правостороннего нейтрино, которое является ключевым игроком здесь, могут оставить отличительные отпечатки пальцев в статистике пространственного распределения галактик или космического микроволнового фона и могут быть точно измерены», — сказал Цуй. «Астрофизические наблюдения, ожидаемые в ближайшие годы, потенциально могут обнаружить такие сигналы и разгадать космическое происхождение материи».