Jednostavno rečeno
U ranom svemiru nastale su gotovo jednake količine materije i antimaterije, pa je većina njih mogla nestati u međusobnim sudarima. Nova studija predlaže da je jedna teška čestica koja dugo živi možda promijenila uslove u svemiru i pomogla da nešto materije preostane. To je zasad samo teorija, ali možda će je biti moguće provjeriti pomoću starih talasa u svemiru.
Danas svemir izgleda ispunjen materijom: tu su zvijezde, galaksije i planete, kao i sve što poznajemo. Iza te široke slike krije se, međutim, zagonetno pitanje: zašto je materija uopće opstala? Prema teorijama fizike, na početku svemira materija i antimaterija nastale su u približno jednakim količinama. Kada se čestica materije susretne s odgovarajućom česticom antimaterije, obje nestaju i pretvaraju se u energiju. Da je ravnoteža između njih bila potpuna, većina onoga što danas poznajemo nestala bi u tim susretima, a materije ne bi ostalo dovoljno za nastanak kosmičkih struktura.
Tim sa University of Southampton i Indian Institute of Technology Kanpur ponudio je moguće objašnjenje u kojem važnu ulogu ima čestica koja se u ovoj zagonetki dugo nije mnogo razmatrala: pretpostavljeni teški tip neutrina, slabo povezan s drugim česticama. Prema proračunima istraživača, to što ova čestica slabo djeluje ne znači da nema nikakav uticaj. Moguće je da je živjela dovoljno dugo da odigra ulogu u ranoj fazi svemira.
Zašto je opstanak materije i dalje zagonetka?
Problem je u tome što poznati fizički zakoni ne objašnjavaju jednostavno kako je u svemiru ostala materija koju danas vidimo. U njegovim ranim fazama vladale su izuzetno visoke temperature, a čestice materije i antimaterije neprestano su nastajale i nestajale. Kako se svemir širio i hladio, ti procesi su se nastavljali, sve dok se čestice materije nisu susrele s česticama antimaterije i nestale u obliku energije.
Ipak, svemir koji opažamo nije gotovo sasvim lišen materije. Nešto materije je preostalo, a čini se da je za to bila dovoljna mala neravnoteža između njih. Ako je čestica materije bilo tek nešto više nego čestica antimaterije, višak je mogao opstati nakon što su se gotovo sve ostale međusobno poništile. Ta mala razlika omogućila je nastanak materije od koje su izgrađene zvijezde i planete, ali sama po sebi ne objašnjava kako je nastala ni šta je odredilo uslove u kojima se pojavila.
Fizičari ovu neravnotežu nazivaju asimetrijom između materije i antimaterije. To nije nevažna pojedinost: i naše postojanje zavisi od toga što svemir nije počeo s njihovim potpunim izjednačenjem. Ipak, porijeklo tog blagog viška još se istražuje. Nova studija problemu pristupa iz drugog ugla. Umjesto da se usredsredi na čestice koje snažno djeluju i neposredno učestvuju u poznatim procesima, tim je ispitao može li čestica koja gotovo da ne učestvuje u tim interakcijama posredno promijeniti uslove u svemiru.
Teški neutrino koji jedva ostavlja trag
Neutrini su veoma lagane čestice koje najčešće prolaze kroz običnu materiju gotovo bez ikakve interakcije. Čestica koju je tim proučavao navodno pripada sličnoj porodici, ali je teža od uobičajenih neutrina, a s drugim česticama povezana je izuzetno slabo. Zbog toga ju je bilo lako smatrati nevažnom u proračunima koji pokušavaju objasniti nastanak razlike između materije i antimaterije.
U predloženom scenariju, međutim, presudno nije koliko često čestica stupa u interakciju, nego koliko dugo živi. Prema procjenama istraživača, ona se ne raspada ubrzo nakon što nastane. Dok se svemir širi i hladi, mogla bi ostati prisutna dovoljno dugo da znatno utiče na ukupnu energiju svemira. To ne znači nužno da je postala najzastupljenija čestica; njen doprinos ukupnoj energiji mogao je samo privremeno nadmašiti doprinos drugih sastojaka.
Upravo to objašnjava kako čestica koja rijetko stupa u interakcije može ostaviti širok trag. Rani svemir nije bio nepromjenjiva pozadina na kojoj su se odvijali fizički procesi: njegova gustoća i temperatura, kao i brzina širenja, stalno su se mijenjale. Ako je ovaj teški neutrino dugo opstao, mogao je izmijeniti tok tih promjena. Prema modelu, svemir je prošao kroz kratku fazu u kojoj je energija ove čestice dominirala, prije nego što se ona raspala.
Rishav Roshan, istraživač na University of Southampton i jedan od autora studije, smatra da dug život čestice mijenja način na koji je treba posmatrati: od sporednog sastojka do nečega što vrijedi uključiti u proračune. Umjesto da rano nestane, ona bi mogla opstati dok se svemir hladio, a zatim uticati na period u kojem su se stvarali uslovi potrebni za nastanak asimetrije. To ne dokazuje da čestica zaista postoji, ali pokazuje da je ne možemo isključiti iz historije svemira samo zato što slabo djeluje.
Promjena uslova u presudnom trenutku
Ova zamisao ne tvrdi da je teški neutrino neposredno stvorio materiju niti da je antimateriju pretvorio u materiju. Njegova pretpostavljena uloga suptilnija je: njegovo prisustvo promijenilo je razvoj svemira, a time i temperaturu pri kojoj su se odvijale važne interakcije između elementarnih čestica i odgovarajućih čestica antimaterije. Trenutak u kojem su se te interakcije odvijale mogao bi biti važan za određivanje veličine razlike koja se stvarala između materije i antimaterije.
Među česticama koje se pojavljuju u ovom objašnjenju nalaze se elektroni i šira grupa elementarnih čestica poznata kao leptoni, kao i mehanizam povezan s Higgsovim bozonom. Higgsov bozon povezan je s mehanizmom pomoću kojeg mnoge elementarne čestice dobijaju masu. U scenariju koji je tim proučavao, teški neutrino mijenja temperaturu pri kojoj neke od tih čestica, uz pomoć Higgsovog bozona, stupaju u interakciju s odgovarajućim česticama antimaterije.
Temperaturu ovdje možete zamisliti kao prekretnicu u toku procesa, a ne kao doslovno dugme u svemiru. Pri različitim temperaturama mijenjaju se vjerovatnoća i brzina interakcija među česticama. Ako je doprinos teškog neutrina doveo do toga da svemir te uslove dostigne u drugom trenutku, mogao se promijeniti i način na koji nastaje razlika između materije i antimaterije. Tako bi čestica koja sama rijetko stupa u interakcije mogla ostaviti posredan trag.
Važnost prijedloga je u tome što u proračune uvodi dodatni faktor. Modeli koji su proučavali porijeklo asimetrije uglavnom su zanemarivali ovakve neutrine zbog njihove slabe povezanosti s drugim česticama. Studija postavlja pitanje je li takvo zanemarivanje opravdano. Prema proračunima autora, čestica bi mogla biti važna zato što dugo opstaje i utiče na ukupnu energiju, čak i ako ne učestvuje snažno u uobičajenim interakcijama.
Tragovi u historiji širenja svemira
Mogući uticaj ovog scenarija ne završava se na odnosu materije i antimaterije. Ako je teška čestica nakratko dominirala energetskom gustoćom svemira, on se mogao širiti drugačije nego što bi se širio bez nje. Brzina širenja zavisi od toga koliko energije svemir sadrži, pa bi promjena sastojka koji u nekom trenutku dominira mogla ostaviti trag u zapisu najranijih faza.
Sudipta Shaw, jedan od autora studije s Indian Institute of Technology Kanpur, ističe da bi ova moguća promjena historije širenja mogla omogućiti provjeru ideje, umjesto da ona ostane samo teorijska rasprava. Promjene koje su se dogodile u ranom svemiru možda su ostavile prepoznatljive signale u prvobitnim gravitacijskim talasima. Riječ je o talasima u prostorvremenu za koje se smatra da su ih mogli izazvati neki od najranijih kosmičkih procesa.
Ako bi se ti talasi mogli registrovati ili bi se njihova svojstva mogla dovoljno precizno utvrditi, mogli bi nam prenijeti podatke o stanju svemira u veoma davnoj prošlosti. Važno je naglasiti da istraživači ne tvrde kako su već registrovani određeni gravitacijski talasi koji dokazuju postojanje teškog neutrina. Oni predlažu da bi njihov scenario mogao proizvesti obrasce koji se mogu prepoznati u prvobitnim signalima. Takvi tragovi bi zato u budućnosti mogli poslužiti za provjeru je li se zaista dogodila pretpostavljena promjena u širenju svemira.
Ovaj trag razlikuje se od pokušaja da se sama čestica neposredno vidi. Pretpostavljena čestica danas više nije prisutna na način koji bi omogućio da je posmatramo kao običan sastojak svemira. Ipak, njen uticaj na uslove u ranoj fazi mogao bi biti zabilježen u signalima koji su preostali iz tog perioda. To je posredan način zaključivanja: naučnici traže mogući trag u historiji širenja svemira, a zatim ga upoređuju s predviđanjima različitih modela.
Obećavajuća ideja, ali ne i konačan odgovor
Studija je objavljena u časopisu Physical Review Letters, koji izdaje American Physical Society. Riječ je o teorijskom radu i proračunima modela koji povezuje slabo povezani teški neutrino, njegovu privremenu dominaciju u energetskoj gustoći i promjenu uslova u kojima nastaje neravnoteža između materije i antimaterije. Važno je razlikovati prijedlog koji odgovara određenim proračunima od eksperimentalnog otkrića koje potvrđuje postojanje čestice ili dokazuje da je ona zaista omogućila opstanak materije.
Studija fizičarima nudi novi pravac za provjeru. Ako se u budućnosti otkriju prvobitni signali koji odgovaraju određenim promjenama u širenju svemira, to bi moglo učiniti ovaj scenario uvjerljivijim. Ako se, međutim, podaci ne budu slagali s očekivanim tragovima, istraživači će možda morati doraditi model ili potražiti drugo objašnjenje. Ni u jednom slučaju sama ideja ne rješava pitanje: naučna vrijednost prijedloga je u tome što iz njega proizlaze predviđanja koja se mogu uporediti s opažanjima.
To što se govori o dominaciji čestice ne znači da se cijeli svemir sastojao od nje niti da su ostale čestice prestale postojati. Misli se na to da je njen mogući doprinos ukupnoj energetskoj gustoći tokom ograničenog perioda mogao biti najveći. Ta je razlika važna za razumijevanje hipoteze: riječ je o prolaznoj fazi u historiji svemira, a ne o tome da je teški neutrino stalno postojao kroz sva razdoblja.
Najvažnije je da ovo istraživanje ne rješava konačno zagonetku materije. Ono predlaže da je u historiji svemira možda postojao faktor kojem dosad nije posvećeno dovoljno pažnje i da je uticao tako što je promijenio vrijeme odvijanja interakcija i širenje svemira, a ne tako što je snažno neposredno djelovao na druge čestice. Pojedinosti tek treba dodatno proučiti, a povezanost ove čestice s asimetrijom mora se potkrijepiti opažanjima ili nezavisnim provjerama modela.
Zaključak
Ovaj rad ponovo skreće pažnju na tešku česticu nalik neutrinu, koja je zbog slabih interakcija smatrana malo važnom. Proračuni tima sa University of Southampton i Indian Institute of Technology Kanpur pokazuju da je njen dug život možda omogućio da privremeno utiče na energetsku ravnotežu ranog svemira i promijeni temperaturu i vrijeme interakcija povezanih s nastankom razlike između materije i antimaterije. Njen uticaj mogao se odraziti i na širenje svemira, ostavljajući moguće tragove u prvobitnim gravitacijskim talasima. Ipak, ideja objavljena u časopisu Physical Review Letters zasad je teorijsko objašnjenje, a ne konačan dokaz. Ako se jednog dana otkriju odgovarajući signali, mogli bi naučnicima pomoći da se približe odgovoru na pitanje koje prati samo naše postojanje: kako je materija opstala nakon susreta s antimaterijom?