To pytanie, które dręczy ludzkość od tysiącleci, a teraz dwójka badaczy z Uniwersytetu w Southampton i Indyjskiego Instytutu Technologii w Kanpurze zaproponowała odpowiedź z udziałem cząstki, którą fizycy przez dziesięciolecia uprzejmie ignorowali: „odprzęgniętego” ciężkiego neutrina. Teoria, opublikowana w Physical Review Letters, sugeruje, że ten pomijany krewny neutrina mógł być czynnikiem decydującym o tym, dlaczego materia przetrwała Wielki Wybuch, a antymateria nie.

Problem jest prosty, choć egzystencjalnie alarmujący: wczesny wszechświat wytwarzał materię i antymaterię w niemal równych ilościach. Kiedy się spotykają, anihilują się nawzajem w wybuchu energii. Gdyby ilości były idealnie zrównoważone, praktycznie cała materia zniknęłaby, nie pozostawiając gwiazd, planet, a – co ważniejsze – nikogo, kto mógłby rozmyślać nad brakiem gwiazd i planet.

Wchodzi odprzęgnięte ciężkie neutrino, hipotetyczny cięższy kuzyn zwykłego neutrina – cząstki już słynącej z tego, że jest niezwykle lekka i rzadko oddziałuje ze zwykłą materią. Odmiana „odprzęgnięta” była na ogół uważana za zbyt słabo związaną z innymi cząstkami, by wpływać na cokolwiek istotnego. Przez dziesięciolecia była fizycznym odpowiednikiem statysty w tle.

Jednak według nowych obliczeń jej niezwykle długi czas życia zmienia rachunek. Cząstka mogła przetrwać wystarczająco długo, by tymczasowo zdominować gęstość energii wszechświata, gdy kosmos ochładzał się po Wielkim Wybuchu, wywołując okres zdominowany przez materię, który zmienił sposób ewolucji wczesnego wszechświata.

Dr Rishav Roshan z Uniwersytetu w Southampton, autor badania, ujął to prosto: „To odprzęgnięte ciężkie neutrino od dawna było odrzucane jako nieistotny szczegół tła w fizyce cząstek. Jednak rozpada się niezwykle powoli. Gdy kosmos ochładzał się po Wielkim Wybuchu, cząstka żyła wystarczająco długo, że tymczasowo przejęła gęstość energii wszechświata i wywołała okres zdominowany przez materię”.

Wcześniejsze próby wyjaśnienia asymetrii materia-antymateria na ogół całkowicie pomijały tę cząstkę, z pozornie rozsądnym uzasadnieniem, że coś oddziałującego tak słabo ledwo może wpływać na procesy odpowiedzialne za powstanie nierównowagi. Nowe badania podważają to założenie, stwierdzając, że nawet cząstka o niezwykle słabych oddziaływaniach mogła pośrednio wpływać na warunki, w których materia uzyskała swoją kluczową przewagę.

„Sam fakt, że tu jesteśmy, dowodzi, że wystąpiła asymetria między materią a antymaterią” – dodał Roshan. „Odprzęgnięte neutrino przesunęło temperaturę we wczesnym wszechświecie, w której cząstki fundamentalne – jak elektrony i inne leptony – oddziaływały ze swoimi antycząstkami za pomocą bozonu Higgsa Modelu Standardowego. Ta temperatura działa jak przełącznik, który kształtuje sposób budowania nierównowagi materia-antymateria”.

Bozon Higgsa, dla porządku, to cząstka fundamentalna związana z mechanizmem nadającym masę wielu cząstkom elementarnym. W scenariuszu badaczy ciężkie neutrino zmieniło warunki temperaturowe rządzące kluczowymi oddziaływaniami cząstek z udziałem Higgsa, skutecznie przesuwając moment tych oddziaływań i wpływając na rozwój nierównowagi. Innymi słowy, coś dawno uznanego za nieistotne mogło pomóc ustalić, dlaczego wszechświat w ogóle zawiera materię.

Teoria ma również implikacje dla sposobu rozszerzania się wszechświata w jego najwcześniejszych stadiach. Współautor badania, dr Sudipta Show z Indyjskiego Instytutu Technologii w Kanpurze, powiedział, że wyniki sugerują, iż zapomniana cząstka mogła dramatycznie zmienić historię rozszerzania się młodego kosmosu. „Oferuje nam nowe wyjaśnienie, jak materia zwyciężyła” – powiedział. „Dramatyczna zmiana we wczesnym rozszerzaniu się kosmosu pozostawia wyraźne, ale wykrywalne ślady zmian, na przykład w pierwotnych falach grawitacyjnych. Te sygnatury fal grawitacyjnych otwierają nowe drogi do rozwikłania”.