Великий вибух мав бути початком і кінцем Всесвіту, як ми його розуміємо.

У багатьох відношеннях космос прагне до балансу, тому вважається, що Великий вибух мав створити матерії та антиматерії в рівних кількостях, що призвело б до їх знищення і залишило б лише простір і енергію.

Але на деякому етапі в ранньому Всесвіті існував незначний дисбаланс, який дозволив матерії існувати, що важливо, оскільки люди та інші речі зазвичай складаються з матерії.

Фізики тепер пропонують нове пояснення цього дисбалансу, припускаючи, що нашим космічним рятівником могла бути щось таке ж загадкове: проігнорована, гіпотетична 'привидна' частинка, яка може потенційно вирішити кілька космологічних загадок.

У новому дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters, фізики Рішав Рошан з Університету Саутгемптона та Судіпта Шоу з Індійського інституту технологій Канпур використовували моделі та розрахунки, щоб описати, як ця "стерильна нейтрино" могла дозволити матерії існувати.

Стерильне нейтрино так називається, оскільки ігнорує сили, які діють на звичайну матерію, відчуваючи лише гравітацію та надзвичайно слабке тяжіння від Хіггса.

"Ця відокремлена важка нейтрино давно вважалася незначним фоновим елементом у фізиці частинок," пояснює Рошан.

"Однак вона розпадається неймовірно повільно. Коли космос охолоджувався після Великого вибуху, частинка жила достатньо довго, щоб тимчасово взяти на себе енергетичну щільність Всесвіту і спровокувати період, домінований матерією."

І якщо суперважка потенційна частинка, яка взаємодіє лише з гравітацією, нагадує про іншу космологічну загадку (спойлер: темна матерія), стерильні нейтрино є запропонованим винуватцем принаймні частини 'втраченого' маси Всесвіту – хоча ті, що претендують на цю роль, є набагато легшими кузенами монстра в цьому дослідженні.

Проте звичайні нейтрино, які відомі (в трьох типах), самі по собі є загадковими, незважаючи на те, що вони всюди і завжди. Сотні мільярдів можуть проходити через ваше тіло прямо зараз, завдяки їх беззарядності та майже безмасовості.

Вони також перевершують інші частинки з масою в 10 порядків величини, або 10 мільярдів, кажуть вчені CERN.

Але чому вони такі малі? Якщо ви вважаєте, що електрон легкий, нейтрино важать принаймні мільйон разів менше.

Ця загадка включає те, що відомо як йукава зв'язок, який вимірює, як частинки, такі як ферміони, взаємодіють з полем Хіггса, яке надає їм масу. Відповідно, електрони мають низький зв'язок, тому мають низьку масу.

Як фізик Девід Міллер порівняв у 1990-х, поле Хіггса схоже на вечірку з коктейлями. Чим більш відомий запрошений, тим більше його сповільнюють інші учасники вечірки, які просять про селфі. Взаємодія Юкави, отже, подібна до рівня популярності цієї особи.

У цьому контексті можна припустити, що звичайні нейтрино є феноменально невідомими стінами.

Кожна інша частинка Стандартної моделі отримує масу через поле Хіггса, але взаємодія повинна бути надзвичайно малою, щоб пояснити маси звичайних нейтрино.

Отже, є ще одна цікава аналогія, механізм гойдалки, в якому звичайні нейтрино такі легкі, оскільки їх невідомі стерильні нейтрино-супутники (можливо, також три смаки) такі важкі.

Бум, загадка номер два потенційно вирішена (?) через гіпотетичних привидів.

Введіть відокремлене нейтрино, третій, проігнорований тип стерильного нейтрино, який може пояснити загадку нашого існування.

"Відокремлене нейтрино змінило температуру в ранньому Всесвіті, при якій фундаментальні частинки – такі як електрони та інші лептони – взаємодіяли зі своїми антипартнерами за допомогою стандартного моделі Хіггса," пояснює Рошан.

"Ця температура діє як перемикач, який формує, як був побудований дисбаланс матерії та антиматерії."

Отже, маючи неймовірно слабкий зв'язок (будучи "відокремленим") з механізмом гойдалки, це стерильне нейтрино розпадалося повільніше, ніж його інші два стерильні нейтрино-сестри, які швидше розпадалися на лептони, такі як електрони.

Цікаво, що ці розпади обмежили частинки антиматерії, створюючи трохи більше частинок матерії.

Залишаючись довше, відокремлене стерильне нейтрино тимчасово порушило енергетичний баланс раннього Всесвіту, зміщуючи його до стану домінування матерії, що вплинуло на космічну температуру та розширення – до того, як це стерильне нейтрино повністю розпалося – так що додаткові частинки матерії могли вижити і зрештою сформувати всі галактики та малинові газові хмари, які ми бачимо сьогодні.

Тоді відбулася дивна "сфалеронна" процесія в охолоджуючому квантовому супі космосу, перетворюючи частину цього надлишку лептонів у відповідний надлишок кварків.

Ці кварки злилися в протони та нейтрони, щоб доповнити електрони (лептони), які вижили під час перетворення, як вважається.

Оскільки ця робота розраховує найменшу масу нейтрино, вона побудована так, щоб бути спростовною, і дослідження цієї маси за допомогою експериментів з фізики частинок може допомогти визначити давнє (не)існування стерильних нейтрино.

В цілому, це дослідження "пропонує нам нове пояснення того, як матерія перемогла," говорить Шоу.

"Драматичний зсув у ранньому розширенні космосу залишає чіткі, але виявлені відбитки змін, наприклад, на первісних гравітаційних хвилях."

Отже, забуте, але повільно розпадене (і тепер вимерле) стерильне нейтрино, як описано тут, може бути виявлене через його колишній вплив на буквальні хвилі в просторі-часі, які поширюються з початку всього.

Але налаштуватися на гул народження Всесвіту важко, що вимагає наступних поколінь обсерваторій, таких як LISA, величезний трикутник космічних лазерів, сформований трьома космічними апаратами, що знаходяться на відстані 2,5 мільйона кілометрів один від одного, які пробиваються через космос у сліді Землі.

Іншими словами, оскільки стерильне нейтрино, яке потенційно відповідає за наше існування, давно зникло, а сьогоднішні звичайні нейтрино такі примарні, ми всі можемо бути продуктами привида привида.

Як підсумовує Шоу: "Ці сигнали гравітаційних хвиль відкривають нові шляхи для нас, щоб розгадати еволюцію раннього Всесвіту після Великого вибуху."