Univerzum: egy, az idő hajnaláról származó részecske magyarázhatja meg, hogy miért létezik a világegyetem

A kozmológia egyik legizgalmasabb kérdése, hogy az ősrobbanás szingularitásából hogyan alakulhatott ki az általunk is ismert anyagi világ. Az univerzum korai állapotát meghatározó folyamatokat még most sem értjük teljesen, főleg azt a problémát, hogy miként kerekedhetett felül az anyag az antianyagon. A Physical Review Letters szakfolyóiratban publikált új tanulmány szerint ennek hátterében egy olyan hipotetikus részecske állhat, amelynek magasabb volt az energiaszintje, mint az újszülött világegyetem összes más anyagának együttvéve, egy rövid és átmeneti időintervallumban.

Új magyarázatot találtak az ismert anyagi világ létezésére Fotó: NASA/JPL-Caltech

A jobbkezes neutrínók fedhetik fel az univerzum anyag-antianyag-aszimmetriájának okát

Erre a problémára az egyik népszerű javaslat a „jobbkezes” neutrínók hipotézisét hívja segítségül. Minden részecske forog; a fizikusok pedig aszerint nevezik őket bal- vagy jobbkezes részecskének, hogy a haladási irányukhoz képest milyen irányú a forgásuk. 

Egy jobbkezes részecske úgy forog, mint a hagyományos menetű csavar a becsavarozása közben: miközben távolodik tőlünk, az óramutató járásával megegyező irányú a forgása. 

Az IceCube Neutrínó Obszervatórium az Antarktiszon    Fotó:  Ilya Bodo, IceCube/NSF

Ezzel szemben az összes eddig észlelt neutrínó „balkezesnek” bizonyult, és távolodás közben az óramutató járásával ellentétes irányban forgott – akárcsak egy fordított menetű csavar. 

"A jobbkezes neutrínók olyan hipotetikus részecskék, amelyekre nem hat a gyenge nukleáris erő – ellentétben a Standard Modell részét képező balos társaikkal” – magyarázza Rishav Roshan, a brit Southamptoni Egyetem elméleti fizikusa és a tanulmány társszerzője, akit a Live Science tudományos hírportál idéz. 

Az atomi részecskék világában különös szerepe lehet neutrínónak  Fotó: Big Think

„Jellemzőjük, hogy nincs elektromos töltésük, és sokkal nehezebbek is” -fűzi hozzá az elméleti fizikus. „A jobbkezes neutrínók keveredhetnek a balos neutrínókkal, ez pedig segíthet megmagyarázni az utóbbiak tömegét” – mondja Rishay Roshan. 

A kvantumfizikában az egymással keveredő részecskék egyszerre kétféle identitás elegyeként is létezhetnek. Az úgynevezett „mérleghinta-mechanizmus” (seesaw mechanism) elméleti keretrendszerében minden közönséges neutrínó magában hordozza egy nehéz, „jobbkezes” neutrínó halvány nyomát; ez a nyom pedig parányi tömeget kölcsönöz számára.

A neutrínók csak nagyon ritkán kerülnek kölcsönhatásba bármi mással  Fotó: Live Science

 Minél nehezebb a partnerrészecske, annál halványabb ez a nyom, és annál könnyebb a közönséges neutrínó – innen ered a mérleghinta-mechanizmus elnevezés is, ami arra a játszótéri eszközre utal, amelynek a két vége ellentétes irányban mozog. 

De ezek a részecskék más rejtélyekre is megoldást kínálhatnak. 

„Számos kérdésre adhatnak lehetséges választ, beleértve a neutrínótömegek eredetét, az univerzum anyag-antianyag aszimmetriáját, valamint a sötét anyag természetét is” – magyarázza a Southamptoni Egyetem elméleti fizikusa és a tanulmány társszerzője.

Dominánssá vált a kozmikus energiából való részesedése

Az ősrobbanásnak egyenlő mennyiségű anyagot és antianyagot kellett volna létrehoznia; ám ezek megsemmisítették volna egymást, lehetetlenné téve az általunk ismert univerzum kialakulását. 

Az ősrobbanás folyamatábrája  Fotó: ELTE

Az ősrobbanás, a "Big Bang" kozmológiai modellje szerint az univerzum megközelítőleg 13,8 milliárd éve egy szupersűrű és forró szingularitásból keletkezett a kozmikus inflációnak nevezett tágulási folyamattal. Az ősrobbanás előtt nem létezett sem a tér, sem pedig az idő. Az univerzum tágulása az ősrobbanás következménye a Friedmann–Lemaître–modell szerint; az ősrobbanás legfontosabb bizonyítéka pedig a Georges Gamow  által elméletileg már 1948-ban megjósolt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás felefedezése volt 1964 -ben, Arno Penzias és Robert Wilson által.

George Gamow amerikai elméleti fizikus  már 1947-ben megjósolta a mikrohullámú háttérsugárzást, mint az ősrobbanás nyomát     Fotó: Bettmann / Wikimedia Commons

Rishay Roshan szerint a jobbkezes neutrínók kulcsfontosságú szerepet játszanak azokban a modellekben, amelyek azt feltételezik, hogy „az anyag és antianyag megfigyelt egyensúlyhiánya az univerzum korai szakaszában zajló, e neutrínókat érintő folyamatokból eredt.” 

Az erre vonatkozó elmélet szerint a bomló nehéz neutrínók enyhe lepton-többletet – a részecskéknek abba a családjába tartozó elemeket, amelybe az elektronok is beletartoznak – hagytak maguk után; ebből alakult ki később az anyag mai többlete – magyarázza a Southamptoni Egyetem elméleti fizikusa.

Az ősrobbanás művészi ábrája   Fotó: University of Copenhagen

 A „mérleghinta-modell” általában három jobbkezes neutrínóval számol, ám mivel az adatok magyarázatához kettő is elegendő, a fizikusok gyakran figyelmen kívül hagyják a harmadikat – azt feltételezve, hogy az túl nehéz, vagy túl gyengén lép kölcsönhatásba az anyaggal. 

Az új tanulmányban Rishay Roshan és Sudipta Show, a kanpuri Indiai Műszaki Egyetem (Indian Institute of Technology, Kanpur) elméleti fizikusa azt vizsgálta, hogy ez az eddig figyelmen kívül hagyott részecske – ami a kutatócsoport példájában körülbelül százbilliószor volt nehezebb egy protonnál – hogyan viselkedett volna az ősrobbanást követően.

Csak az anyag-antianyag-aszimmetria kialakulásának köszönhető, hogy nem semmisült meg az újszülött univerzum   Fotó:  Quantum Zeitgeist

 Kezdetben a részecske közel fénysebességgel haladt, így az energiája – a fényéhez hasonlóan – csökkent volna; ahogy a tér tágult, az energia szétoszlott és a hullámhosszak megnyúlásával gyengébbé vált. Ám ahogy a korai és forró univerzum hűlni kezdett, a részecske lelassult, energiájának nagy része pedig beépült a tömegébe, így az már csupán a térbeli eloszlásában változott. 

A kutatócsoport számításai szerint a részecske kozmikus energiából való részesedése ezért fokozatosan nőtt, míg végül dominánssá vált; ez a hosszú élettartamú részecske pedig mindaddig meghatározó maradt, amíg nem bomlott szét más részecskékre.

Hamarosan megfigyelési adatok is megerősíthetik az elmélet helyességét

A tanulmány feltárja, hogy az eddig figyelmen kívül hagyott jobbkezes neutrínó „jelentős hatást gyakorol a korai univerzum tágulási dinamikájára, egy korai, anyag-dominált korszakot idézve elő” – magyarázza a tanulmány társszerzője. 

Illusztráció az ősrobbanásról, amint az az idők kezdetén kibontakozik a szingularitásból   Fotó: VICTOR de SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY

-Ez a változás befolyásolja a Standard Modell különféle kölcsönhatásait, ami segíthet megmagyarázni az anyag és antianyag közötti aszimmetriát is – fűzi hozzá Rishay Roshan. Az egyes kölcsönhatások csak akkor kapcsolódtak volna be, amikor a sebességük meghaladta a tér tágulásának ütemét. Mivel a nehéz neutrínók által uralt univerzum gyorsabban tágult volna, a kölcsönhatásoknak meg kellett várniuk, amíg a világegyetem még tovább hűl. 

A nehéz neutrínók által uralt univerzum gyorsabban tágult volna   Fotó: Sci News

A kutatócsoport megállapítása szerint e késleltetésnek köszönhetően egy, a proton tömegénél mintegy 100 milliárdszor nagyobb tömegű, jobbkezes neutrínó képes lehetett létrehozni a megfigyelt mennyiségű anyagot még azelőtt, hogy a részecsketípusok megkülönböztethetővé váltak volna – sőt, még azután is, hogy a nehéz neutrínó bomlása az anyag egy részét felhígította. 

A nehéz neutrínó tömege azonban túlságosan nagy ahhoz, hogy bármely részecskegyorsítóban elő lehessen állítani, így a vizsgálatok is csak közvetett módon tárhatják fel a létezésüket.

A nehéz neutrinók nem állíthatók elő mesterségesen   Fotó: Fermilba/Reidar Hahn

 Erre például a gravitációs hullámok – a téridő fodrozódásai – kínálnak lehetőséget. Egy olyan korszakban, amelyben a nehéz neutrínók domináltak, ezek jellegzetes nyomot hagyhattak a korai univerzum gravitációs hullámain – például azokon, amelyek az úgynevezett „kozmikus húrokból”, a tér hipotetikus, fonalszerű hibáiból származnak. 

A tanulmány társszerzője megjegyezte, hogy a kapott eredmények könnyen ellenőrizhetők lesznek olyan, a közeljövőben megvalósuló létesítmények révén, mint a Laser Interferometer Space Antenna (LISA) vagy a Square Kilometer Array Observatory (SKAO). 

A SKAO művészi illusztrációja. A rendszer a 2030-as évektől kezd el majd működni  Fotó: Wikimedia Commons/SKAO

Az Európai Űrügynökség LISA űralapú küldetése a tervek szerint 2035 körül indulhat útnak, míg az Ausztráliában és Dél-Afrikában épülő óriási rádióteleszkóp-projekt, az SKAO, a távoli pulzárok megfigyelésével észlelhet ilyen hullámokat. 

A vizsgálatokra akkor kerülhet sor, „ahogy ezek a berendezések üzembe állnak, és megkezdik az adatgyűjtést” – magyarázza a Southamptoni Egyetem elméleti fizikusa. A forró ősi plazmából származó halk „morajlás” szintén magán hordozza az adott korszak lenyomatát, ám olyan frekvenciákon, amelyeket a jelenlegi detektorok még nem képesek érzékelni.

A tanulmányt teljes terjedelmében és angol nyelven itt lehet elolvasni.

A Physical Review Letters szakfolyóiratban szeptember 7-én megjelent tanulmány szerint:

• az univerzumban tapasztalható anyag-antianyag-aszimmetria kialakulása, és végső soron a világegyetem létezése,
• egy olyan szupernehéz neutrínóra vezethető vissza,
• ami az univerzum megszületésének kezdő pillanataiban egy rövid időre,
• több energiával rendelkezett mint a világegyetem összes más anyaga együttvéve,
• és ez játszott főszerepet abban,
• hogy aszimmetria alakult ki az anyag és antianyag mennyisége között,
• amelynek hiányában már a keletkezése pillanatában megsemmisült volna az újszülött univerzum.