Historia zaczyna się od idei, która z dzisiejszej perspektywy wydaje się niemal poetycka. W drugiej połowie XIX wieku William Thomson, znany jako Lord Kelvin, próbował wytłumaczyć naturę materii, przedstawiając atomy jako supły zawiązane w hipotetycznym eterze – niewidzialnym medium przenikającym przestrzeń. Jego koncepcja została obalona wraz z narodzinami fizyki kwantowej, ale okazało się, że intuicja Kelvina nie była całkiem błędna.
Czytaj też: Betelgeza nie jest sama. Astronomowie dostrzegli jej tajemniczego towarzysza
Nowa praca uczonych z Hiroshima University, opublikowana w Physical Review Letters, pokazuje, że “supły” mogą rzeczywiście istnieć – nie w eterze, lecz w polach kwantowych, które rządziły wczesnym Wszechświatem. Zespół kierowany przez prof. Muneto Nittę z Instytutu WPI-SKCM (International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter) opracował pierwszy realistyczny model fizyki cząstek, w którym takie supły powstają naturalnie i odgrywają kluczową rolę w jednym z największych kosmicznych pytań: dlaczego istnieje materia, a nie antymateria.
Prof. Muneto Nitta mówi:
To badanie dotyka jednej z najbardziej fundamentalnych zagadek fizyki – dlaczego nasz Wszechświat składa się z materii, a nie z antymaterii. To pytanie jest istotne, bo bez odpowiedzi na nie da się wytłumaczyć, dlaczego istnieją gwiazdy, galaktyki, a ostatecznie – my sami.
Supły i problem brakującej antymaterii
Według klasycznego modelu Wielkiego Wybuchu materia i antymateria powinny powstać w identycznych ilościach. Każdy kwark miałby swój antykwark, każdy elektron – pozyton, a wzajemne anihilacje pozostawiłyby po sobie jedynie morze promieniowania. Tymczasem obserwujemy coś zupełnie innego – Wszechświat zdominowany przez materię, z antymaterią występującą jedynie śladowo.
Czytaj też: Pogoda na Słońcu okazała się bardziej dynamiczna niż sądzono. Naukowcy musieli wrócić do podstaw
Różnica jest mikroskopijna: z każdych miliarda par materia-antymateria przetrwała tylko jedna cząstka materii. Ale ta niewielka asymetria przesądziła o wszystkim – o istnieniu atomów, galaktyk i życia. Problem w tym, że obowiązujący model standardowy fizyki cząstek nie potrafi tego zjawiska wyjaśnić. Potrzebne jest coś, co wprowadziłoby subtelne zaburzenie równowagi między materią a antymaterią w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu.
Zespół z Hiroshima University oraz współpracownicy z Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) w Niemczech i Uniwersytetu Yamagata połączyli dwie dobrze znane rozszerzenia modelu standardowego: symetrię B-L (różnica między liczbą barionową a leptonową) oraz symetrię Peccei-Quinna (PQ), z której wynika istnienie hipotetycznego aksjona – kandydata na cząstkę ciemnej materii.
Symetria B-L tłumaczy, dlaczego neutrino, niezwykle lekkie i niemal niematerialne, posiada masę. Z kolei PQ rozwiązuje tzw. problem silnego CP, czyli zagadkę, dlaczego neutron nie wykazuje oczekiwanego momentu dipolowego. Kiedy obie symetrie uległy spontanicznemu złamaniu we wczesnym Wszechświecie, mogły utworzyć niezwykłe struktury topologiczne – magnetyczne rurki strumieni (B-L) i bezstrumieniowe wiry superpłynne (PQ).
Ich wzajemne oddziaływanie doprowadziło do powstania stabilnych konfiguracji nazwanych solitonami supłowymi. To rodzaj energetycznego “splotu”, w którym napięcia jednej struktury kompensują się z drugą.
Jak wyjaśnia prof. Nitta:
Nikt wcześniej nie badał tych dwóch symetrii jednocześnie. Mieliśmy szczęście – kiedy połączyliśmy je w jednym modelu, okazało się, że tworzą stabilny supły.
Co z tego wynika?
W modelu Hiroshima University pojawia się zupełnie nowy epizod historii Wszechświata, tzw. era zdominowana przez supły. Gdy promieniowanie traciło energię wraz z rozszerzaniem się przestrzeni, te ciężkie, topologicznie zamknięte struktury zachowywały ją znacznie dłużej. Na krótko przejęły więc panowanie nad kosmosem, tworząc etap, w którym energia Wszechświata była dosłownie uwięziona w splątanych węzłach pola.
Jednak era supłów nie trwała wiecznie. W wyniku zjawiska tunelowania kwantowego – “przenikania” przez bariery energetyczne – supły zaczęły się rozplątywać, uwalniając nagromadzoną energię w postaci ciężkich, prawoskrętnych neutrin i innych cząstek. Neutrina te, charakterystyczne dla symetrii B-L, rozpadały się z lekkim przechyłem w stronę materii, inicjując subtelną, lecz decydującą nierównowagę między nią a antymaterią.
Obliczenia zespołu wykazały, że przy realistycznej masie ciężkich neutrin rzędu 1012 GeV oraz założeniu, że większość energii supłów została przekształcona w te cząstki, temperatura “ponownego ogrzania” Wszechświata wyniosłaby około 100 GeV – dokładnie tyle, ile potrzeba, by procesy elektrosłabe mogły ostatecznie przekształcić asymetrię neutrin w przewagę materii.
Ten etap mógł też pozostawić unikalny sygnał w postaci fal grawitacyjnych. Ich charakterystyczne “widmo” mogłyby w przyszłości wykryć planowane detektory, takie jak europejska misja LISA, amerykański Cosmic Explorer czy japoński projekt DECIGO.
Choć Lord Kelvin widział w supłach fundament budowy materii, jego pomysł został odrzucony już na początku XX wieku. Teraz badacze z Hiroshima University proponują, by spojrzeć na niego inaczej: nie jako opis struktury atomu, ale jako metaforę i – być może – fizyczną rzeczywistość wczesnego Wszechświata.