Miért létezik az univerzum?
Az ősrobbanás elmélete alapján a világegyetem kezdetben tökéletes egyensúlyban indult: minden anyagi részecskéhez járt egy ugyanolyan tömegű, de ellentétes töltésű antianyagpár. Amint találkoznak, azonnal megsemmisítik egymást, és energia keletkezik, így mindennek el kellett volna tűnnie. Mégis: a megfigyelhető világ szinte kizárólag anyagból áll, antianyagot alig találni. Már egy leheletnyi többlet is – minden milliárd párra jutó egyetlen felesleges anyagi részecske – elegendő volt, hogy végül a csillagok és galaxisok kialakulhassanak.
A ma ismert részecskefizika, az úgynevezett Standard Modell, ezt az aszimmetriát nem tudja megmagyarázni. Egyszerűen túl kicsi különbséget jósol anyag és antianyag között ahhoz képest, amit tapasztalunk. Ez a kérdés – az úgynevezett barionaszimmetria – a fizika egyik legnagyobb rejtélye, a következmények pedig beláthatatlanok lehetnek.
Csomók és szimmetriák: új fizikai elmélet
Egy japán fizikuscsoport a Hiroshimai Egyetemen olyan modellt dolgozott ki, ahol két különleges szimmetria játszik központi szerepet: a B–L szimmetria (amely a barionszám és a leptonszám különbségét követi) és a Peccei–Quinn-szimmetria (amely miatt elméletileg létezhetnek axionok, a sötét anyag egyik potenciális tagjai). Ezek kombinációja önmagában is képes választ adni a neutrínók tömegére, a sötét anyag természetére és a Standard Modell egyik legkeményebb kérdésére, az erős kölcsönhatás CP-problémájára.
A kutatók szerint épp ezek az extra szimmetriák indították el a korai univerzumban stabil, „csomózott” térszerkezetek kialakulását. Ezek a kozmikus csomók rövid időre a világegyetem teljes energiáját uralhatták, majd végül kvantummechanikai alagúteffektus révén felbomlottak, és ennek során olyan nehéz, úgynevezett jobbkezes neutrínókat hoztak létre, amelyek bomlásukkal előidézték a csekély, de döntő anyag–antianyag különbséget.
Kísértet-neutrínók, axionok és kozmikus húrok
A Peccei–Quinn-szimmetria szükséges, hogy a neutron elektromos dipólmomentumát tisztázza, és ezzel együtt bevezeti az axion nevű feltételezett részecskét, ami akár sötét anyagként is szolgálhat. A B–L szimmetria közben megmagyarázza, miért van tömege a neutrínóknak, annak ellenére, hogy alig lépnek kölcsönhatásba bármivel.
Ahogy a világegyetem lassan lehűlt, a szimmetriák egymás után „törtek”: olyan topológiai defektusok jöttek létre, mint a kozmikus húrok – olyan parányi, mégis extrém tömegű szálak, amelyek a téridőben hosszan elnyúlhatnak. A B–L szimmetria törése mágneses fluxuscsöveket, a Peccei–Quinn-szimmetria pedig szuperfolyékony örvényeket hagyott maga után – együtt pedig képesek voltak gabalyodott, csomózott struktúrákat alkotni, amelyek stabilitását a topológia garantálta.
Ezek a csomók jóval lassabban vesztették el az energiájukat, mint a sugárzás, így az univerzum egy időre teljesen a „csomók uralma” alatt állhatott – a helyzet egy csapásra megváltozott, amikor a csomók kvantumalagúteffektus révén lebomlottak.
Az eredmény: anyag keletkezése és gravitációs hullámok
A csomók összeomlása során hatalmas mennyiségben keletkeztek nehéz, jobbkezes neutrínók. Ezek bomlása – amely enyhén az anyag irányába tolja el a részecskék arányát – teremtette meg azt a parányi, de sorsdöntő egyensúlyhiányt, amitől ma minden létezik.
A csomók felbomlása újra felfűtötte a világegyetemet körülbelül 100 GeV hőmérsékletig, ami éppen az a tartomány, ahol még lehetőség van az anyag–antianyag aszimmetria kialakulására. Ez a folyamat nemcsak a részecskék arányait billentette helyre, hanem speciális gravitációs hullámokat is keltett – olyan, a téridő szerkezetét rázó rezgéseket, amelyeket akár a következő generációs LISA, Cosmic Explorer vagy DECIGO detektorok is kimutathatnak. Ha ez sikerül, az elmélet akár igazolódhat is.
A kozmikus csomók öröksége
Bár Kelvin a 19. században még „étercsomókként” képzelte el az atomokat, az ötletet azóta elvetették – de az új kutatás szofisztikált formában, a modern részecskefizikai modellekkel egybeolvasztva visszahozza a csomók fontosságát. Ha a gravitációs hullámok jövőbeli megfigyelései valóban megerősítik ezt a korszakot, a kozmikus csomók ténylegesen az univerzum történetének kulcsszereplőivé válhatnak.
Ennek köszönhetően nemcsak az anyag származására, de az egész világegyetem kialakulására is új, minden korábbinál egzaktabb magyarázat adódhat.
