A halott elmélet, ami életet adott az univerzumnak

1867-ben Lord Kelvin úgy vélekedett, hogy az atomok apró csomók lehetnek, amelyek az éter szövetébe vannak szőve. Az elképzelést végül megcáfolták, amikor a tudósok feltárták az atomok valódi természetét, de képzeletbeli koncepciója még mindig rejtett nyomot mutathat az univerzum egyik legnagyobb rejtélyéhez: miért létezik egyáltalán bármi is.

Japán kutatók ma elsőként bizonyították, hogy az ilyen csomók természetes módon is létrejöhetnek egy realisztikus részecskefizikai modellben. A Physical Review Letters című folyóiratban megjelent tanulmányuk ezeket a képződményeket számos régóta fennálló rejtélyhez köti, beleértve a neutrínótömegek eredetét, a sötét anyag és az erős CP-probléma kérdését. A csapat azt feltételezi, hogy ezek a „kozmikus csomók” rövid időre formálhatták a születőben lévő univerzumot, olyan módon bomlottak le, amely az anyagnak kedvezett az antianyaggal szemben, és egy halvány rezgést hagytak maguk után a téridőben, amelyet a jövőbeli obszervatóriumok egy napon talán észlelni fognak – ez ritka lehetőség a fizika egyik legnehezebben megragadható kérdésének vizsgálatára.

„Ez a tanulmány a fizika egyik legalapvetőbb rejtélyét járja körül: miért anyagból és nem antianyagból áll a világegyetemünk” – mondta a tanulmány levelező szerzője, Muneto Nitta, a Hirosimai Egyetem Nemzetközi Fenntarthatósági Intézetének Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM ² ) professzora Japánban.

„Ez a kérdés azért fontos, mert közvetlenül érinti azt, hogy miért léteznek egyáltalán a csillagok, a galaxisok és mi magunk.”

Az ősrobbanás elmélete szerint az univerzumnak egyenlő mennyiségű anyaggal és antianyaggal kellett volna létrejönnie, amelyek mindegyike megsemmisítette a másikat, amíg csak a fény maradt. Mégis, amit ma megfigyelünk, szinte teljes egészében anyag, az antianyag gyakorlatilag hiányzik. A tudósok kiszámították, hogy az atomoktól a galaxisokig minden azért létezik, mert minden milliárd anyag-antianyag párra egyetlen extra anyagrészecske valahogy túlélte, számol be a scitechdaily.com.

A részecskefizika standard modellje, bár számos területen figyelemre méltóan sikeres, nem tudja megmagyarázni ezt az egyensúlyhiányt. Jóslatai messze elmaradnak attól a parányi többlettől, amely a világegyetemünk létrehozásához szükséges lenne. Ennek a bariogenezisnek a megoldása továbbra is a modern fizika egyik legfontosabb nyitott kérdése.

A Hirosimai Egyetem WPI-SKCM2 intézetének kutatói, Muneto Nitta és Minoru Eto – egy olyan intézet, amely a csomózott és királis szerkezetek különböző tudományos területeken történő vizsgálatával foglalkozik –, valamint Yu Hamadával, a németországi Deutsches Elektronen-Synchrotron kutatójával együtt úgy vélik, hogy egy régóta figyelmen kívül hagyott nyomra bukkantak, amely a válaszra mutat.

A B–L szimmetria megszakadása mágneses fluxuscső-szálakat hozott létre, míg a PQ szimmetria fluxusmentes szuperfolyékony örvényeket hozott létre. Éppen az ellentétük teszi őket kompatibilissé. A BL fluxuscső a PQ szuperfolyékony örvény Chern–Simons csatolását biztosítja, amihez kapcsolódhat. Ez a csatolás pedig lehetővé teszi, hogy a PQ szuperfolyékony örvényszivattyú feltöltse a BL fluxuscsőbe, ellensúlyozva azt a feszültséget, amely normális esetben a hurok pattanását okozná. Az eredmény egy metastabil, topológiailag rögzített konfiguráció lett, amelyet csomós szolitonnak neveznek.

„Senki sem vizsgálta ezt a két szimmetriát egyszerre” – mondta Nitta. „Ez némileg szerencsés volt számunkra. Összerakva őket, egy stabil csomót tártunk fel.”

Míg a sugárzás energiát veszített, ahogy hullámai a téridővel nyúltak, a csomók úgy viselkedtek, mint az anyag, sokkal lassabban halványulva. Hamarosan minden mást megelőztek, egy csomók által uralt korszakot vezetve be, amikor az energiasűrűségük, nem pedig a sugárzásé uralta a kozmoszt. De ez az uralkodás nem tartott sokáig. A csomók végül kibogozódtak a kvantumalagút-effektus révén, egy fantomszerű folyamaton keresztül, amelyben a részecskék úgy csúsznak át az energiahatárokon, mintha ott sem lennének. Összeomlásuk nehéz jobbmenetes neutrínókat generált, ami a szerkezetükbe szőtt B-L szimmetria beépített következménye. Ezek a hatalmas, szellemszerű részecskék ezután könnyebb, stabilabb formákká bomlottak, enyhe elfogultsággal az anyag felé az antianyaggal szemben, így kaptuk meg a ma ismert univerzumot.

„Alapvetően ez az összeomlás rengeteg részecskét hoz létre, beleértve a jobbkezes neutrínókat, a skaláris bozonokat és a mérőbozont, mint egy zápor” – magyarázza Hamada, a tanulmány társszerzője. „Közülük a jobbkezes neutrínók különlegesek, mivel bomlásuk természetes módon okozhatja az anyag és az antianyag közötti egyensúlyhiányt. Ezek a nehéz neutrínók könnyebb részecskékké, például elektronokká és fotonokká bomlanak, egy másodlagos kaszkádot hozva létre, amely újra felmelegíti az univerzumot.”

„Ebben az értelemben” – tette hozzá – „ők a mai univerzumban található összes anyag szülei, beleértve a saját testünket is, míg a csomók a nagyszüleinknek tekinthetők.”

Amikor a kutatók követték a modelljükben kódolt matematikai adatokat – milyen hatékonyan hozták létre a csomók a jobbmenetű neutrínókat, mekkora tömegűek voltak ezek a neutrínók, és milyen forróvá vált a kozmosz a bomlásuk után –, a ma megfigyelhető anyag-antianyag egyensúlyhiány természetes módon alakult ki az egyenletből. Átrendezve a képletet, és hozzáadva egy valósághű 10¹² gigaelektronvolt (GeV) tömeget a nehéz jobbmenetű neutrínókhoz, és feltételezve, hogy a csomók a tárolt energiájuk nagy részét ezeknek a részecskéknek a létrehozására fordítják, a modell természetes módon 100 GeV újramelegedési hőmérsékletre esett. Ez a hőmérséklet véletlenül az univerzum utolsó ablakát jelöli az anyagképződésre. Bármilyen hidegebb esetén a neutrínó egyensúlyhiányát anyaggá alakító elektrogyenge reakciók végleg leállnak.

A 100 GeV-ra való újramelegítés a világegyetem gravitációshullám-kórusát is átformálta volna, magasabb frekvenciák felé billenve azt. A jövőbeli obszervatóriumok, mint például a Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Európában, a Cosmic Explorer az Egyesült Államokban és a Deci-hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory (DECIGO) Japánban egy napon képesek lennének figyelni ezt a finom hangolásbeli változást.

„A kozmikus húrok egyfajta topológiai szolitonok, olyan objektumok, amelyeket olyan mennyiségek határoznak meg, amelyek változatlanok maradnak, függetlenül attól, hogy mennyire csavarjuk vagy nyújtjuk őket” – mondta Eto. „Ez a tulajdonság nemcsak a stabilitásukat biztosítja, hanem azt is jelenti, hogy az eredményünk nem kötődik a modell sajátosságaihoz. Bár a munka továbbra is elméleti jellegű, az alapul szolgáló topológia nem változik, ezért ezt fontos lépésnek tekintjük a jövőbeli fejlesztések felé.”

Míg Kelvin eredetileg a csomókat az anyag alapvető építőköveiként feltételezte, a kutatók azzal érveltek, hogy eredményeik „első alkalommal nyújtanak valósághű részecskefizikai modellt, amelyben a csomók kulcsszerepet játszhatnak az anyag keletkezésében”.

„A következő lépés az elméleti modellek és szimulációk finomítása, hogy jobban megjósolhassuk ezen csomók kialakulását és bomlását, valamint hogy összekapcsolhassuk az aláírásaikat a megfigyelési jelekkel” – mondta Nitta. „Különösen a közelgő gravitációshullám-kísérletek, mint például a LISA, a Cosmic Explorer és a DECIGO, képesek lesznek tesztelni, hogy az Univerzum valóban átesett-e egy csomók uralta korszakon.”

A kutatók abban reménykednek, hogy megfejtik, vajon a csomók elengedhetetlenek voltak-e az anyag keletkezéséhez, és ezzel összekapcsolják az univerzum kezdeteinek teljesebb történetét.