Ученые раскрыли тайну происхождения материи во Вселенной

Американские ученые доказали, что преобладание материи над антивеществом можно объяснить процессом образования гипотетических частиц аксионов.

Результаты исследования размещены на сайте препринтов arXiv.org.

Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет три фундаментальные силы во Вселенной: электромагнетизм; слабое взаимодействие, удерживающее вместе протоны и нейтроны в ядрах атомов; и сильное взаимодействие, вызывающее разрушение нейтронов. Но она не объясняет существование темной материи и так называемое нарушение СР-симметрии сильного взаимодействия по зарядовому сопряжению C между частицами и античастицами и по симметрии четности P. Для объяснения нарушения СР-симметрии в 1977 году в квантовую хромодинамику – область физики, занимающуюся сильным взаимодействием – было введено понятие аксиона, передает РИА «Новости».

Аксион – это гипотетическая частица, которая в миллиард раз легче протона и редко взаимодействует с обычной материей. Это объясняет, почему они еще не были обнаружены, даже с помощью инструментов, которые позволяют обнаруживать протоны, нейтроны и электроны.

Однако аксион очень удобен для объяснения нарушения СР-симметрии. Он также является хорошим кандидатом на роль частицы для темной материи, которая используется для объяснения скорости вращения галактик – еще одного противоречия Стандартной модели. Если бы галактики вращались с той скоростью, которую они имеют в настоящее время, и силой тяжести только видимых объектов, они разлетелись бы на части. Ученые предполагают, что в галактиках должно быть огромное количество вещества, которое мы не видим. И этим веществом может быть поле аксионов.

Третье фундаментальное противоречие Стандартной модели – дисбаланс между веществом и антивеществом. Согласно Стандартной модели, когда наша Вселенная родилась, одновременно образовавшиеся материя и антивещество должны были уничтожить друг друга. Это означает, что ничто – ни Земля, ни Солнце, ни галактики, ни люди – не должны были существовать. Но все это существует.

В новом исследовании американские ученые Рэймонд Ко (Raymond Co) из Мичиганского университета и Кейсуке Харигая (Keisuke Harigaya) из Института перспективных исследований  доказали, что и для объяснения этого противоречия подходит аксион, если предположить, что эта частица обладает вращением. Ранее физики считали, что на ранней стадии Вселенной, сразу после Большого взрыва, аксионное поле было статичным и начало колебаться при охлаждении Вселенной.

Вместо этого исследователи предполагают, что аксионное поле имело более интересную динамику на этой ранней стадии. Вращение аксионов высвобождало энергию, которая превращалась в барионы – частицы обычного вещества. Это порождало каскадный эффект, на каждом этапе которого вращение аксионов создавало лишь немного больше вещества, чем антивещества. Каждый раз небольшая часть материи – примерно одна 10-миллиардная доля, оставалась для формирования мира, который мы видим сегодня.

«Мы обнаружили, что вращение аксиона может объяснить избыток вещества, найденного во Вселенной. Мы назвали этот механизм аксиогенезом», – заявил Кейсуке Харигая.

«Аксион был впервые предложен физиками-теоретиками, – говорит ученый. – С тех пор физики-теоретики и экспериментаторы, астрофизики и космологи вместе изучали аксион. Мы открыли новую космологическую роль аксиона, связанную с вращением».

«И что интересно в нашей работе, так это то, что аксион дает одновременное объяснение всем трем проблемам в физике элементарных частиц: темной материи, асимметрии вещества и антивещества и проблемы СР-симметрии сильного взаимодействия. Поскольку эти проблемы не изучались одновременно, над этой темой еще нужно поработать», – сказал Рэймонд Ко.

Ученые надеются, что эксперименты по обнаружению аксиона, которые проводятся в разных странах, наконец увенчаются успехом