Neutrino sterylne — hipotetyczna cząstka, której dotąd nie wykryto — mogło odegrać ważną rolę w powstaniu przewagi materii nad antymaterią. Według obliczeń dwóch fizyków jego wyjątkowo powolny rozpad mógł zmienić tempo rozszerzania się młodego Wszechświata, a przez to warunki, w których kształtowała się ta nierównowaga. To możliwe wyjaśnienie jednej z największych zagadek kosmologii, wymagające jednak potwierdzenia obserwacyjnego.
Dlaczego materia nie zniknęła razem z antymaterią?
Galaktyki, planety i nasze ciała istnieją dzięki temu, że we wczesnym Wszechświecie pozostał niewielki nadmiar materii. Gdyby cząstki i ich antycząstki występowały w dokładnie równych ilościach i całkowicie się unicestwiły, nie byłoby materiału do budowy znanego nam kosmosu.
Fizycy od dawna próbują ustalić, skąd wzięła się ta różnica. Rishav Roshan z University of Southampton oraz Sudipta Show z Indian Institute of Technology w Kanpurze przyjrzeli się cząstce, którą w części wcześniejszych modeli pomijano.
Ich praca, opublikowana w „Physical Review Letters”, dotyczy ciężkiego, niemal odsprzęgniętego neutrina prawoskrętnego. Określenie „odsprzęgnięte” oznacza tutaj, że jego oddziaływania z pozostałymi rozpatrywanymi cząstkami są wyjątkowo słabe. Badacze sprawdzili, czy mimo tego mogło ono wpłynąć na historię kosmosu.
Czym jest neutrino sterylne?
Znane neutrina występują w trzech rodzajach, nazywanych zapachami. Mają niezwykle małe masy i bardzo rzadko oddziałują z materią, dlatego ogromne ich liczby przenikają przez nasze ciała bez zauważalnego śladu. Są co najmniej milion razy lżejsze od elektronu.
Neutrina sterylne byłyby ich hipotetycznymi krewnymi. Nie uczestniczyłyby bezpośrednio w oddziaływaniach słabych, którym podlegają zwykłe neutrina. W analizowanym modelu ciężka cząstka zachowuje jednak bardzo słabe powiązanie z leptonami i polem Higgsa.
Takie cząstki pojawiają się między innymi w mechanizmie huśtawki, proponowanym jako wyjaśnienie niewielkich mas znanych neutrin. W uproszczeniu obecność bardzo ciężkich partnerów pozwala uzyskać niezwykle lekkie neutrina obserwowane w eksperymentach. To nadal propozycja teoretyczna, a nie ustalony mechanizm nadawania im masy.
Cząstka, która znikała zbyt wolno, by ją ignorować
W rozpatrywanym scenariuszu występują trzy ciężkie neutrina prawoskrętne. Dwa z nich wystarczają do wyjaśnienia znacznej części właściwości lekkich neutrin. Trzecie, bardzo słabo oddziałujące, często traktowano jako mało istotne.
Roshan i Show wskazują jednak, że słabe oddziaływania mają ważną konsekwencję: cząstka może rozpadać się wyjątkowo powoli.
W ich modelu przetrwała dostatecznie długo, by podczas stygnięcia kosmosu jej udział w całkowitej gęstości energii zaczął dominować nad promieniowaniem. Powstałby wówczas przejściowy okres dominacji materii, zakończony rozpadem tych ciężkich neutrin i ponownym przejęciem przewagi przez promieniowanie.
Warto rozróżnić dwa zjawiska. Dominacja materii w bilansie energii nie oznacza jeszcze przewagi zwykłych cząstek nad antycząstkami. Może jednak zmieniać warunki, w których taka przewaga powstaje.
Jak mogła powstać nierównowaga materii i antymaterii?
Kluczowy jest związek między rozszerzaniem się Wszechświata a szybkością zachodzących w nim reakcji. Zmiana tempa ekspansji wpływa na to, kiedy poszczególne oddziaływania mogą osiągnąć równowagę termiczną.
Według obliczeń badaczy obecność długo żyjącego neutrina przesuwa temperatury, przy których odpowiednie reakcje z udziałem naładowanych leptonów i pola Higgsa osiągają taką równowagę. To z kolei zmienia przebieg leptogenezy — procesu, w którym powstaje nierównowaga między leptonami a antyleptonami.
W tym scenariuszu źródłem asymetrii są rozpady innych ciężkich neutrin. Nie chodzi o proste usuwanie antymaterii przez jedną szczególną cząstkę. Niemal odsprzęgnięte neutrino modyfikuje kosmiczne warunki, w których rozwija się nierównowaga.
Następnie procesy nazywane sfaleronowymi mogą przekształcić część asymetrii leptonowej w asymetrię barionową. Dzięki temu powstaje nadwyżka składników, z których później tworzą się protony i neutrony.
Czy neutrino sterylne wyjaśnia również ciemną materię?
Niektóre modele przewidują, że neutrina sterylne mogłyby stanowić część ciemnej materii. Nie oznacza to jednak, że cząstka opisana przez Roshana i Show miałaby dziś wypełniać galaktyki.
Rozpatrywane przez nich ciężkie neutrino zdążyłoby się rozpaść we wczesnym Wszechświecie. Kandydaci na istniejącą obecnie ciemną materię musieliby mieć inne właściwości, w tym dostatecznie długi czas życia.
Wspólna nazwa obejmuje więc różne możliwości teoretyczne. Potencjalna rola w powstawaniu przewagi materii nie jest automatycznie rozwiązaniem zagadki brakującej masy kosmosu.
Śladów można szukać w neutrinach i falach grawitacyjnych
Hipoteza ma konsekwencje, które można zestawiać z wynikami badań. Jedną z nich jest powiązanie właściwości ciężkiego neutrina z masą najlżejszego ze znanych neutrin. Coraz dokładniejsze ograniczenia tej masy mogą pomagać w ocenie dopuszczalnych scenariuszy.
Drugim tropem są fale grawitacyjne. Przejściowa dominacja ciężkich cząstek zmieniałaby historię ekspansji, a jej ślady mogłyby zachować się w widmie fal pochodzących z wczesnego kosmosu. Autorzy wskazują tę możliwość jako kierunek dalszych badań.
W poszukiwaniu dawnych kosmicznych procesów mają pomóc obserwatoria nowej generacji, w tym misja LISA. Jej trzy sondy utworzą trójkąt o bokach długości 2,5 miliona kilometrów i będą wymieniać wiązki laserowe, aby mierzyć niezwykle małe zmiany odległości wywoływane przez fale grawitacyjne.
Nie byłaby to bezpośrednia obserwacja dawno rozpadłej cząstki. Fizycy szukaliby konsekwencji jej możliwej obecności. Na razie obliczenia pokazują, że neutrino uznawane za nieistotne może mieć duże znaczenie dla modeli opisujących początki materii.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters .