Результаты исследования размещены на сайте препринтов arXiv.org.
Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет три фундаментальные силы во Вселенной: электромагнетизм; слабое взаимодействие, удерживающее вместе протоны и нейтроны в ядрах атомов; и сильное взаимодействие, вызывающее разрушение нейтронов. Но она не объясняет существование темной материи и так называемое нарушение СР-симметрии сильного взаимодействия по зарядовому сопряжению C между частицами и античастицами и по симметрии четности P. Для объяснения нарушения СР-симметрии в 1977 году в квантовую хромодинамику – область физики, занимающуюся сильным взаимодействием – было введено понятие аксиона, передает РИА «Новости».
Аксион – это гипотетическая частица, которая в миллиард раз легче протона и редко взаимодействует с обычной материей. Это объясняет, почему они еще не были обнаружены, даже с помощью инструментов, которые позволяют обнаруживать протоны, нейтроны и электроны.
Однако аксион очень удобен для объяснения нарушения СР-симметрии. Он также является хорошим кандидатом на роль частицы для темной материи, которая используется для объяснения скорости вращения галактик – еще одного противоречия Стандартной модели. Если бы галактики вращались с той скоростью, которую они имеют в настоящее время, и силой тяжести только видимых объектов, они разлетелись бы на части. Ученые предполагают, что в галактиках должно быть огромное количество вещества, которое мы не видим. И этим веществом может быть поле аксионов.
Третье фундаментальное противоречие Стандартной модели – дисбаланс между веществом и антивеществом. Согласно Стандартной модели, когда наша Вселенная родилась, одновременно образовавшиеся материя и антивещество должны были уничтожить друг друга. Это означает, что ничто – ни Земля, ни Солнце, ни галактики, ни люди – не должны были существовать. Но все это существует.
В новом исследовании американские ученые Рэймонд Ко (Raymond Co) из Мичиганского университета и Кейсуке Харигая (Keisuke Harigaya) из Института перспективных исследований доказали, что и для объяснения этого противоречия подходит аксион, если предположить, что эта частица обладает вращением. Ранее физики считали, что на ранней стадии Вселенной, сразу после Большого взрыва, аксионное поле было статичным и начало колебаться при охлаждении Вселенной.
Вместо этого исследователи предполагают, что аксионное поле имело более интересную динамику на этой ранней стадии. Вращение аксионов высвобождало энергию, которая превращалась в барионы – частицы обычного вещества. Это порождало каскадный эффект, на каждом этапе которого вращение аксионов создавало лишь немного больше вещества, чем антивещества. Каждый раз небольшая часть материи – примерно одна 10-миллиардная доля, оставалась для формирования мира, который мы видим сегодня.
«Мы обнаружили, что вращение аксиона может объяснить избыток вещества, найденного во Вселенной. Мы назвали этот механизм аксиогенезом», – заявил Кейсуке Харигая.
«Аксион был впервые предложен физиками-теоретиками, – говорит ученый. – С тех пор физики-теоретики и экспериментаторы, астрофизики и космологи вместе изучали аксион. Мы открыли новую космологическую роль аксиона, связанную с вращением».
«И что интересно в нашей работе, так это то, что аксион дает одновременное объяснение всем трем проблемам в физике элементарных частиц: темной материи, асимметрии вещества и антивещества и проблемы СР-симметрии сильного взаимодействия. Поскольку эти проблемы не изучались одновременно, над этой темой еще нужно поработать», – сказал Рэймонд Ко.
Ученые надеются, что эксперименты по обнаружению аксиона, которые проводятся в разных странах, наконец увенчаются успехом.