O „particulă-fantomă” ar putea explica de ce există Universul. Descoperirea care schimbă teoriile despre Big Bang

O particulă ipotetică, ignorată adesea de fizicieni, ar putea oferi răspunsul la una dintre cele mai mari enigme ale științei: de ce există materie în Univers. Potrivit unui nou studiu citat de Live Science, aceasta ar fi putut domina Universul imediat după Big Bang, influențând expansiunea cosmică și procesele care au permis materiei să predomine asupra antimateriei. Cercetarea, publicată în revista Physical Review Letters, propune un nou scenariu pentru primele momente ale existenței Universului.

„Particulă-fantomă” adesea neglijată ar fi putut domina Universul imediat după Big Bang

Particula, un neutrino ipotetic „de dreapta”, ar fi putut deține, pentru scurt timp, mai multă energie decât toate celelalte componente ale Universului timpuriu la un loc. Potrivit studiului, acest lucru ar fi accelerat expansiunea cosmică și ar fi întârziat unele interacțiuni esențiale dintre particule. Cercetarea a fost publicată pe 8 septembrie în revista Physical Review Letters.

Neutrinii sunt particule care interacționează extrem de rar cu materia. Un neutrino obișnuit provenit de la Soare ar putea traversa un strat de plumb gros de un an-lumină, aproximativ 9.500 de miliarde de kilometri, înainte de a interacționa cu un singur atom. Există trei tipuri de neutrini, numite și „arome”, iar aceștia trec de la un tip la altul în timpul deplasării, printr-un efect cuantic subtil, posibil doar dacă au masă. Totuși, Modelul Standard al fizicii particulelor, în forma sa inițială, prevede că neutrinii ar trebui să fie lipsiți de masă.

Una dintre explicațiile propuse pentru această discrepanță implică neutrinii „de dreapta”. Particulele au o proprietate numită spin, asemănătoare, într-o reprezentare simplificată, rotației unor titirezi minusculi. Fizicienii le descriu drept „de stânga” sau „de dreapta”, în funcție de orientarea spinului față de direcția lor de deplasare. O particulă de dreapta se rotește asemenea unui șurub obișnuit înfiletat: în sensul acelor de ceasornic, în timp ce se îndepărtează de observator. Neutrinii observați până acum în interacțiunile slabe sunt de stânga, în timp ce antineutrinii sunt de dreapta.

„Neutrinii de dreapta sunt particule ipotetice care nu sunt supuse interacțiunii nucleare slabe, spre deosebire de omologii lor de stânga, care fac parte din Modelul Standard”, a explicat pentru Live Science, prin e-mail, Rishav Roshan, coautor al studiului și fizician teoretician la Universitatea din Southampton, în Regatul Unit. „Aceștia nu au sarcină electrică și sunt mult mai grei.”

„Neutrinii de dreapta se pot amesteca cu neutrinii de stânga, contribuind la explicarea masei acestora din urmă”, precum și a modului în care trec de la o aromă la alta, a spus Roshan.

Particula invizibilă care ar putea explica una dintre cele mai mari enigme ale fizicii

În fizica cuantică, particulele care se amestecă pot exista simultan ca o combinație a două identități. Într-un cadru teoretic numit mecanismul „seesaw”, sau „balansoar”, fiecare neutrino obișnuit conține o componentă foarte mică asociată unui partener greu, de dreapta. Această componentă contribuie la masa sa minusculă. Cu cât partenerul este mai greu, cu atât neutrino-ul obișnuit este mai ușor. De aici provine denumirea mecanismului, inspirată de balansoarul ale cărui capete se mișcă în direcții opuse.

Aceste particule ar putea oferi răspunsuri și la alte enigme. Ele sunt invocate pentru a explica „mai multe probleme, inclusiv originea maselor neutrinilor, asimetria dintre materie și antimaterie din Univers și natura materiei întunecate”, a spus Roshan.

De ce a supraviețuit materia, în loc să dispară împreună cu antimateria

Potrivit modelelor cosmologice, în Universul timpuriu ar fi putut exista cantități aproape egale de materie și antimaterie, care s-ar fi anihilat reciproc. Fără un mic dezechilibru în favoarea materiei, Universul așa cum îl cunoaștem nu s-ar fi putut forma.

Neutrinii de dreapta au un rol esențial în modelele potrivit cărora „dezechilibrul observat între materie și antimaterie a apărut în urma unor procese care au implicat acești neutrini în Universul timpuriu”, a explicat Roshan.

În acest scenariu, dezintegrarea neutrinilor grei a lăsat în urmă un mic surplus de leptoni, familia de particule din care fac parte și electronii, care a dus ulterior la surplusul de materie existent astăzi, a precizat cercetătorul.

Mecanismul de balansoar include, de regulă, trei neutrini de dreapta. Însă, deoarece doi sunt suficienți pentru a explica datele disponibile, fizicienii îl ignoră adesea pe al treilea, presupunând că este prea greu sau că interacționează prea slab cu materia.

Cum ar fi putut o singură particulă să domine Universul după Big Bang

În noul studiu, Roshan și Sudipta Show, fizician la Institutul Indian de Tehnologie din Kanpur, au analizat ce s-ar fi întâmplat după Big Bang cu această particulă neglijată. În principalul scenariu examinat de echipă, ea avea o masă de aproximativ 100.000 de miliarde de ori mai mare decât cea a unui proton.

La început, particula s-ar fi deplasat cu o viteză apropiată de cea a luminii, iar energia sa ar fi scăzut într-un mod asemănător cu energia luminii. Pe măsură ce spațiul se extinde, lumina se distribuie într-un volum mai mare, iar lungimile sale de undă se alungesc, ceea ce îi reduce energia.

Însă, pe măsură ce Universul se răcea, particula ar fi încetinit, iar cea mai mare parte a energiei sale ar fi rămas sub forma energiei asociate masei. Aceasta s-ar fi diluat doar prin distribuirea într-un volum tot mai mare. Prin urmare, ponderea particulei în energia totală a Universului ar fi crescut până când ar fi devenit dominantă. Potrivit calculelor echipei, particula, cu o durată mare de viață, ar fi continuat să domine până la dezintegrarea sa în alte particule.

Studiul arată că neutrino-ul de dreapta neglijat „influențează semnificativ dinamica expansiunii Universului timpuriu, determinând o perioadă timpurie de dominație a materiei”, a spus Roshan. Această schimbare „afectează diverse interacțiuni din Modelul Standard”, care ar putea contribui la explicarea asimetriei dintre materie și antimaterie, a adăugat el.

Fiecare dintre aceste interacțiuni ar fi devenit eficientă abia atunci când rata sa ar fi depășit rata expansiunii spațiului. Cum un Univers dominat de neutrino-ul greu s-ar fi extins mai repede, interacțiunile ar fi fost întârziate până când acesta s-ar fi răcit și mai mult.

Aceste interacțiuni ar fi permis diferențierea aromelor leptonilor în Universul timpuriu, influențând astfel formarea surplusului de materie. Echipa a constatat că, datorită întârzierii, un neutrino de dreapta mai ușor, cu o masă de aproximativ 100 de miliarde de ori mai mare decât cea a unui proton, ar fi putut produce cantitatea de materie observată înainte ca aromele să poată fi diferențiate. Acest lucru ar fi fost posibil chiar și după ce dezintegrarea neutrino-ului greu ar fi diluat o parte din surplus.

Cum ar putea oamenii de știință să descopere urmele particulei misterioase

Neutrino-ul greu are o masă mult prea mare pentru a putea fi creat într-un accelerator de particule, astfel că ipoteza poate fi testată doar indirect.

Undele gravitaționale, ondulații ale spațiu-timpului, oferă o astfel de posibilitate. O epocă dominată de neutrino-ul greu ar fi lăsat o modificare caracteristică în spectrul fondului de unde gravitaționale provenite din Universul timpuriu, precum cele generate de „corzile cosmice”, structuri ipotetice asemănătoare unor fire, considerate defecte ale spațiului. Roshan a precizat că rezultatele ar putea fi testate cu ajutorul unor viitoare observatoare, precum Laser Interferometer Space Antenna (LISA) și Square Kilometre Array Observatory (SKAO).

LISA, o misiune spațială a Agenției Spațiale Europene, are lansarea programată în jurul anului 2035. SKAO, un proiect de radiotelescop uriaș aflat în construcție în Australia și Africa de Sud, ar putea detecta asemenea unde prin măsurarea precisă a momentelor în care sosesc semnalele unor pulsari îndepărtați.

Testele ar putea fi realizate „pe măsură ce aceste observatoare devin operaționale și încep să colecteze date”, a spus Roshan. Și un semnal slab de unde gravitaționale provenit din plasma primordială fierbinte ar păstra amprenta acelei epoci, însă la frecvențe pe care detectoarele existente nu le pot înregistra.

Editor : Ș.A.