Могут ли странные квантовые объекты объяснить наше существование?

Каждый из нас хочет знать кто мы, откуда и куда движемся. Ответы на эти вопросы предлагают самые разные люди, от философов до священников и физиков-теоретиков, но именно последние обладают наибольшими знаниями о Вселенной. До начала ХХ века, однако, никто и предположить не мог, что элементарных частиц окажется так много, что из них можно составить целый «зоопарк». Лишь в 1925 году на смену старой квантовой теории пришла квантовая механика, которая основывается на волновых уравнениях и принципе неопределенности, а ее положения значительно отличаются от положений механики классической. Всего за несколько десятилетий было обнаружено множество элементарных частиц, а их взаимодействие друг с другом легло в основу Стандартной модели. Запуск Большого адронного коллайдера (БАК) и последующее обнаружение «частицы Бога» – по-научному Бозон Хиггса – стало лишь началом в понимании нашего сложного мира. Каждый год ученые открывают новые частицы, параллельно пытаясь ответить на вопрос о том, почему мы существуем.

Частица за частицей

Одной из последних обнаруженных физиками частиц является тетракварк (подробнее про их открытие я рассказывала вот здесь). Если совсем кратко, то тетракварки представляют собой частицу экзотической материи, которая содержит два тяжелых кварка и два легких антикварка. Кварки, как, вероятно, помнит читатель, являются фундаментальными строительными блоками Вселенной, из которых состоит вся материя.

Кварки также являются частицами, из которых могут состоять адроны — первая группа элементарных частиц. До недавнего времени считалось, что нейтроны состоят из трех кварков, но новая частица адрона состоит из четырех. Исследователи отмечают, что тетракварк – самая долгоживущая частица из всех известных.

Тетракварки были обнаружены в 2020 году

Еще одной новинкой в нашем зоопарке оказались энионы. Это не просто новые частицы, они настолько необычны, что физики отнесли их к третьему царству элементарных частиц.

Критерий деления элементарных частиц на два царства – это значение спина, квантового числа, которое характеризует собственный момент импульса частицы. Иными словами, если спин отдельно взятой частицы определяется целым числом – перед вами бозон, а если полуцелым – фермион.

Теперь же утверждение о том, что каждая последняя частица во Вселенной – от космических лучей до кварков – является либо фермионом, либо бозоном, кажется, придется пересмотреть. Вот что говорит об этом Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института: «Раньше у нас были бозоны и фермионы, а теперь у нас есть это третье царство элементарных частиц».

В ходе научного исследования ученые доказали, что энионы принадлежат к отдельному классу элементарных частиц.

В ходе недавнего исследования физикам наконец удалось доказать, что энионы ведут себя как нечто среднее между поведением бозонов и фермионов. Более того, их поведение в точности соответствует теоретическим предсказаниям.

Причем здесь гравитационные волны?

Итак, освежив в памяти Стандартную модель, которая объясняет как взаимодействуют невидимые глазу частицы создавая реальность, идем дальше: если взаимодействие элементарных частиц создает наш мир, то может ли физика объяснить наше существование?

Очень похоже на то. По крайней мере астрофизики полагают, что в начале Вселенной существовал дисбаланс между материей и антивеществом. И чтобы понять, откуда он взялся, ученые обратились к гравитационным волнам.

Гравитационные волны – это изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Если совсем просто, то они искажают пространство-время. Подробнее о том, что такое гравитационные волны и когда и как их открыли читайте в увлекательном материале моего коллеги Артема Сутягина.

Гравитационные волны могут разрешить кризис космологии

Команда физиков-теоретиков, возглавляемая Грэмом Уайтом из Института физики и математики Вселенной Кавли, сосредоточилась на явлении, под названием Q-ball. Как и во многих концепциях теоретической физики, Q-ball относительно трудно объяснить.

Между тем, одна из самых больших космологических загадок заключается в том, почему Вселенная состоит из гораздо большего количества материи, чем антивещества. Совсем недавно команда физиков-теоретиков поняла, где искать ответ – необходимо обнаружить гравитационные волны, создаваемые причудливыми квантовыми объектами под названием Q-ball.

Не будем также забывать, что у каждого вида обычной частицы материи есть партнер из антивещества с противоположными характеристиками. Так что когда материя взаимодействует с антивеществом, они уничтожают друг друга. Именно этот факт и делает наше существование загадкой, поскольку космологи почти уверены, что на заре Вселенной было равное количество вещества и антивещества.

Гравитационные волны, зафиксированные детектором LIGO, произошли из-за столкновения черных дыр

Но если все эти партнеры по материи и антивеществу должны были уничтожить друг друга, Вселенная бы осталась без материи вообще. Но материя, как мы знаем, существует, и исследователи начинают постепенно понимать в чем весь сыр-бор.

Одна из потенциальных причин может заключаться в Q-ball-ах – теоретических «комках», которые образовались сразу после Большого взрыва, до того, как Вселенная начала расширяться. Эти объекты должны содержать свою собственную асимметрию материи и антивещества. Это означает, что внутри каждого Q-ball-а существуют неравные доли материи и антивещества.

И если бы Q—ball-ы высвободили больше материи, чем антивещества, то стали бы причиной гравитационной ряби в пространстве-времени. Согласно результатам нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, в таком случае обнаружить Q-ball-ы можно было бы с помощью гравитационных волн. Но как?

Распад Q-ball – ключ к созданию гравитационных волн

По сути, Q-ball-ы – это скопления заряженных полей, которые превратились в комки и слиплись. Однажды склеенные, они, как правило, служат долго, пережив фоновое излучение, возникшее в результате расширения Вселенной. Но вот в них потенциально интересно, так это то, что происходит, когда Q-ball распадаются.

Распад Q-ball происходит быстро и яростно. Причем настолько, что они образуют гравитационные волны! Более того, эти события распада относительно распространены, и у ученых должны быть средства для их обнаружения. Обсерватории гравитационных волн, такие как LIGO, уже обнаружили гравитационные волны от других источников, сравнимые по силе и частоте с волнами, вызванными распадающимися Q-ball-ами.

Вероятно, скоро мы узнаем о Вселенной много нового

Отметим, что до сих пор не было обнаружено гравитационных волн, приписываемых распадам Q-ball-ов. Тем не менее, доктор Уайт и его коллеги с оптимизмом смотрят в ближайшее будущее:

Почти наверняка мы скоро обнаружим сигнал с начала времен, подтверждающий эту теорию о том, почему мы и остальной мир материи вообще существуем. Это захватывающее утверждение, и оно должно интересовать любого, кто кровно заинтересован в том, почему материя вообще существует, – пишут авторы научной работы.

Разобраться как устроен наш мир непросто, но, кажется, реально

И напоследок хочется напомнить – видимо в ближайшие годы нас ожидает огромное количество открытий. Ранее в этому году мы рассказывали о "новой силе природы" – ученые из ЦЕРН действительно стоят на пороге открытия «новой физики».

Так что ждем с нетерпением дальнейших исследований и стараемся разобраться в невероятно сложной для человеческого понимания физике строительных блоков нас самих и нашей Вселенной.