Zašto svemir nije nestao nakon Velikog praska?

Prema dosadašnjim spoznajama, Veliki prasak trebao je biti istovremeno početak i kraj svemira. Smatra se da su tada nastale jednake količine materije i antimaterije, čiji bi međusobni sraz doveo do potpunog uništenja. Na kraju bi ostali samo prazan prostor i energija.

Ipak, u nekom trenutku u ranom svemiru došlo je do sićušne neravnoteže koja je materiji omogućila opstanak. Fizičari sada nude novo objašnjenje za tu pojavu i sugeriraju da bi rješenje mogla biti hipotetska 'duh-čestica' koja bi istovremeno mogla riješiti više kozmoloških zagonetki, piše Science Alert.

Rješenje u "sterilnom neutrinu"

U novoj studiji objavljenoj u časopisu Physical Review Letters, fizičari Rishav Roshan sa Sveučilišta u Southamptonu i Sudipta Show s Indijskog instituta za tehnologiju u Kanpuru opisali su kako je takozvani 'sterilni neutrino' mogao omogućiti postojanje materije.

Naziv 'sterilni' dobio je jer ignorira sile koje djeluju na običnu materiju. On osjeća samo gravitaciju i iznimno slabo privlačenje Higgsovog polja.

"Ovaj odvojeni, teški neutrino dugo se odbacivao kao nevažan pozadinski detalj u fizici čestica", objašnjava Roshan. "Međutim, on se raspada nevjerojatno sporo. Dok se svemir hladio nakon Velikog praska, čestica je preživjela dovoljno dugo da privremeno preuzme gustoću energije svemira i pokrene razdoblje u kojem dominira materija."

Zagonetka mase i Higgsovo polje

Superteška čestica koja komunicira samo putem gravitacije podsjeća i na drugu veliku kozmološku zagonetku - tamnu tvar. Sterilni neutrini glavni su kandidati za barem dio 'nedostajuće' mase svemira, iako su čestice koje se razmatraju za tu ulogu znatno lakši srodnici one iz ove studije.

I obični neutrini, za koje znamo da postoje u tri vrste, sami su po sebi misterij. Iako su posvuda oko nas, gotovo su bez mase i bez električnog naboja. Znanstvenici iz CERN-a procjenjuju da ih ima deset milijardi puta više od svih ostalih čestica s masom. Njihova sićušna masa, barem milijun puta manja od mase elektrona, jedna je od velikih nepoznanica.

Ta zagonetka uključuje takozvano Yukawino vezanje, koje mjeri interakciju čestica s Higgsovim poljem koje im daje masu. Fizičar David Miller to je slikovito opisao devedesetih, usporedivši Higgsovo polje s koktel-zabavom.

Što je gost poznatiji, to ga ostali uzvanici više usporavaju. U toj analogiji, Yukawina interakcija je razina nečije slave. Obični neutrini bili bi, dakle, nevjerojatno nepoznati gosti.

Mehanizam klackalice i odvojeni neutrino

Jedna od teorija koja pokušava objasniti sićušnu masu običnih neutrina je 'mehanizam klackalice'. Prema njemu, obični neutrini toliko su lagani upravo zato što su njihovi još neotkriveni sterilni parnjaci iznimno teški. Tu na scenu stupa 'odvojeni' neutrino, treća i zanemarena vrsta sterilnog neutrina koja bi mogla objasniti zašto uopće postojimo.

"Odvojeni neutrino promijenio je temperaturu u ranom svemiru pri kojoj su temeljne čestice, poput elektrona i drugih leptona, stupale u interakciju sa svojim antičesticama uz pomoć Higgsovog bozona", pojašnjava Roshan. "Ta temperatura djeluje kao prekidač koji određuje kako se stvarala neravnoteža između materije i antimaterije."

Kako je nastala prevlast materije

Zbog iznimno slabe veze s 'mehanizmom klackalice', ovaj se sterilni neutrino raspadao znatno sporije od svoja dva 'brata', koji su se puno brže raspali u leptone poput elektrona. Važno je da su ti raspadi stvorili tek neznatno više čestica materije nego antičestica.

Time što se zadržao dulje, odvojeni sterilni neutrino privremeno je poremetio energetsku ravnotežu ranog svemira. Gurnuo ga je prema stanju u kojem dominira materija, što je utjecalo na temperaturu i širenje svemira sve dok se i on nije potpuno raspao. Tako su preostale čestice materije mogle preživjeti i na kraju stvoriti galaksije i sve što danas vidimo.

U toj juhi svemira koji se hladio, proces nazvan 'sfaleron' pretvorio je dio viška leptona u odgovarajući višak kvarkova, koji su se zatim grupirali u protone i neutrone.

Potraga za dokazima u odjecima Velikog praska

Budući da ovaj znanstveni rad izračunava masu najlakšeg neutrina, postavljen je tako da se može provjeriti. Mjerenje te mase u eksperimentima moglo bi potvrditi ili opovrgnuti postojanje sterilnih neutrina u dalekoj prošlosti.

"Sve u svemu, ovo nam istraživanje nudi novo objašnjenje za to kako je materija pobijedila", kaže Show. "Dramatična promjena u ranom širenju svemira ostavlja jasne, ali mjerljive tragove, primjerice na primordijalnim gravitacijskim valovima."

To znači da bi se utjecaj davno nestalog sterilnog neutrina mogao otkriti u naborima prostor-vremena koji se šire još od samih početaka. Osluškivanje tih prastarih signala iznimno je složeno i zahtijeva opservatorije nove generacije poput LISA-e. Taj projekt sastoji se od tri letjelice udaljene 2,5 milijuna kilometara koje će u formaciji divovskog trokuta pratiti Zemlju u njezinoj orbiti.

"Ti tragovi u gravitacijskim valovima otvaraju nam nove putove za razumijevanje evolucije ranog svemira nakon Velikog praska", zaključuje Show.