Как нарушение симметрии спасло мир от аннигиляции

Ученые обнаружили новые доказательства того, что Вселенная на короткое время управлялась другими физическими законами, чем сегодня, что привело к нарушению, которому мы обязаны самим своим существованием, сообщается в новом исследовании.

Симметрия между частицами и античастицами называется CP-симметрией (от англ. charge parity - зарядовая четность). Она означает, что физические законы не меняются, если поменять местами частицу и античастицу и отразить систему в зеркале. CP-симметрия сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается в слабом взаимодействии.

Нарушение CP-симметрии является одной из причин того, что в настоящей Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии. По нашим нынешним представлениям о физике, после Большого взрыва материя и антиматерия должны были уничтожить друг друга, но этого не произошло. Почему - до сих пор неизвестно.

Ученые под руководством Цзяминь Хоу (Jiamin Hou) изучили более миллиона галактик , наблюдаемых в космических обзорах. Они обнаружили, что галактики чаще скапливаются в определенной форме тетраэдра (четырехгранника), чем в его зеркальном отражении. Это свидетельствует о нарушении CP-симметрии на космических масштабах.

Этот эффект может быть объяснен тем, что в самом начале Вселенной происходил период инфляции - быстрого экспоненциального расширения пространства за доли секунды после Большого взрыва. В этот период законы Вселенной могли измениться каким-то образом и привести к нарушению CP-симметрии.

"Что такое начало Вселенной? Какие законы определяют ее развитие? Почему есть что-то, а не ничего?" - задается вопросами Закари Слепиан (Zachary Slepian), профессор астрономии Флоридского университета и соавтор статей. "Эта работа затрагивает эти большие вопросы."

Предыдущие исследования также выявили намеки на нарушения четности в ранней Вселенной, но большая часть этого исследования изучает взаимодействие в крошечных субатомных масштабах, тогда как команда Хоу изучала эффект в огромных космических масштабах. Исследователи подробно описали свой новый подход в другом новом исследовании, которое было опубликовано на этой неделе в Physical Review Letters .

Нарушение CP-симметрии может быть вызвано различными механизмами. Например, оно может быть связано с квантовой гравитацией или с аксионами - гипотетическими псевдоскалярными частицами, которые могут иметь осевое связывание с гравитацией или электромагнитным полем. Такие связывания могут приводить к поляризации гравитационных волн или фотонов.

Некоторые исследования уже пытались обнаружить нарушение CP-симметрии в гравитационных волнах или космическом микроволновом излучении. Однако эти методы требуют высокой точности измерений и подвержены систематическим ошибкам.

Метод Хоу и ее коллег основан на изучении распределения галактик в пространстве. Он позволяет обнаружить нарушение CP-симметрии типа скаляра, которое не видно в других наблюдениях. Кроме того, он может помочь отличить космологический и астрофизический источники стохастического фона гравитационных волн, так как последний не должен быть поляризованным.

Ученые признают, что их измерения имеют погрешности и требуют дополнительных проверок. В ближайшие годы ожидается запуск новых астрономических проектов, таких как обсерватория Вера Рубин в Чили и космический телескоп Европейского космического агентства Евклид. Они позволят получить более точные данные о распределении галактик и изучить нарушение CP-симметрии на больших расстояниях.