Двумя величайшими космологическими загадками остаются асимметрия между материей и антиматерией и природа темной материи - невидимого вещества, на долю которого приходится около 85 % массы Вселенной. Недавняя теория предполагает, что эти две проблемы могут быть связаны с гипотетической частицей - майорановским нейтрино. Эта идея, которую еще предстоит подтвердить, может произвести революцию в нашем понимании космоса.
Загадка преобладания материи во Вселенной остается одним из самых увлекательных вопросов современной космологии. Согласно Стандартной модели физики частиц, в результате Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии. Теоретически эти две сущности должны были аннигилировать друг с другом с первых мгновений существования космоса, оставив после себя космическую пустоту, заполненную только энергией. Однако мы наблюдаем совсем другое. На самом деле Вселенная состоит в основном из материи: звезды, галактики, планеты и даже живые существа состоят из материальных частиц. Антиматерия же, похоже, практически отсутствует, за исключением некоторых лабораторных экспериментов или редких астрофизических событий. Этот фундаментальный дисбаланс между материей и антиматерией создает серьезную проблему: что нарушило этот первоначальный баланс, позволив материи доминировать в космосе?
Ученые называют это явление бариогенезом. Этот термин относится к гипотетическому процессу, который привел бы к превышению количества барионов (частиц, составляющих материю, таких как протоны и нейтроны) над антибарионами (их аналогами антиматерии). Однако Стандартная модель сама по себе не может объяснить эту асимметрию. Не хватает ключевого механизма, описывающего, как фундаментальные законы физики могли бы отдать предпочтение материи в первые доли секунды после Большого взрыва.
Майорановские нейтрино: частицы в самом сердце загадки Нейтрино, которые часто называют частицами-призраками из-за их способности проходить сквозь материю, почти не взаимодействуя с ней, могут оказаться в самом сердце этой космической загадки. Обычно известные нейтрино отличаются крайне низкой массой и особым свойством: их спин (своего рода внутреннее вращение) всегда направлен в одну сторону, что ученые называют левосторонним. Однако эта необычная характеристика открыла дверь для интригующей гипотезы: существования их правосторонних аналогов, пока еще не обнаруженных частиц.
Согласно недавно разработанной теории, эти правосторонние нейтрино могли сыграть решающую роль на первых этапах зарождения космоса. Согласно этой модели, взаимодействие между (известными) левосторонними нейтрино и этими гипотетическими правосторонними нейтрино вызвало бы фундаментальный дисбаланс в ранней Вселенной. Этот дисбаланс нарушил бы идеальную симметрию, которая в противном случае привела бы к полной аннигиляции материи и антиматерии.
Эта же модель предсказывает существование еще более удивительной частицы — майорановского нейтрино. В отличие от большинства известных частиц, майорановское нейтрино является собственной античастицей. Это означает, что при определенных условиях две майорановские частицы могут аннигилировать друг с другом, что является весьма необычным поведением в физике частиц.
В первые хаотические моменты Большого взрыва нарушение симметрии между левосторонними и правосторонними нейтрино могло привести к появлению таких майорановских нейтрино в большом количестве. Устойчивые и невидимые, эти частицы сохранились бы до наших дней как реликты той первобытной эпохи. Благодаря своей устойчивости и неуловимой природе они могут составлять значительную часть темной материи - загадочного и невидимого вещества, которое оказывает гравитационное воздействие и играет ключевую роль в формировании и строении галактик.
Если эта теория окажется верной, майорановские нейтрино станут не только недостающей частью головоломки темной материи, но и возможным объяснением самого существования материи. Если это действительно так, то открытие изменит наше представление о Вселенной.
Хотя теория, связывающая майорановские нейтрино с темной материей и господством над ней, привлекательна, пока что она остается умозрительной. Подтверждение гипотезы требует экспериментальных наблюдений, способных обнаружить эти неуловимые частицы. Для этого физики полагаются на чрезвычайно чувствительные детекторы, такие как Super-Kamiokande в Японии и Borexino в Италии. Эти подземные объекты специально разработаны для изучения нейтрино - частиц, которые настолько легки и слабо взаимодействуют, что проходят сквозь материю, почти не оставляя следов. В Super-Kamiokande, например, используется гигантский резервуар, заполненный сверхчистой водой, для обнаружения крошечных вспышек света, возникающих при взаимодействии нейтрино с атомами.
Эти эксперименты направлены на выявление признаков, которые могут свидетельствовать о присутствии правосторонних нейтрино или майорановских нейтрино, в частности, специфических взаимодействий, которые не могут быть объяснены стандартной моделью физики.
Еще одним направлением исследований является поиск событий, нарушающих закон сохранения барионного числа — фундаментальный закон, согласно которому количество частиц материи не может меняться. Если бы этот закон был нарушен, это стало бы серьезной уликой в пользу существования «Майорана». Например, нейтринный распад двойной беты (гипотетический процесс, в котором два нейтрона в атомном ядре одновременно превращаются в протоны без испускания нейтрино) мог бы послужить косвенным доказательством.
Детектор "Борексино"МИФИ