Гравитационные волны помогут проверить гипотезу суперсимметричного бариогенеза

Группа физиков-теоретиков предложила метод проверки гипотезы суперсимметричного бариогенеза Аффлека — Дайна с помощью будущих детекторов гравитационных волн. Волны, которые ученые предлагают изучать, представляют собой гравитационные волны, излученные во время инфляции и постинфляционного разогрева, усиленные распадом нетопологических солитонов, называемых Q-шарами, которые возникают в ранней Вселенной в теории Аффлека — Дайна. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Вселенная почти полностью состоит из вещества, а антивещества в ней практически нет. Стандартная модель не может объяснить эту асимметрию, и ученые предлагают различные варианты ее возникновения. Еще в 1967 году Андрей Сахаров нашел необходимые условия для появления асимметрии между количеством вещества и антивещества, и одним из вариантов возникновения этих условий в ранней Вселенной является механизм Аффлека — Дайна. Он реализуется, если в природе при очень высоких энергиях или температурах существует суперсимметрия — гипотетическая симметрия между частицами с целыми и полуцелыми спинами.

Если Вселенная суперсимметрична, то это должно проявляться на самых ранних этапах ее эволюции, когда температура Вселенной очень велика. В суперсимметричных теориях скалярные (бесспиновые) поля обычно принимают ненулевое значение в вакууме, как, например, поле Хиггса в несуперсимметричной Стандартной модели. Ключевым для механизма Аффлека — Дайна является тот факт, что на протяжении периода космической инфляции это значение остается почти постоянным и одинаковым в пространстве, но с ее окончанием поле начинает фрагментироваться — концентрироваться в небольших областях пространства, образуя нетопологические солитоны, называемые Q-шарами. Нетопологичность означает, что у солитона нет сохраняющегося заряда, который делал бы его стабильным. Именно на этапе фрагментации из-за квантовых флуктуаций и образуется асимметрия между веществом и антивеществом, называемая также бариогенезом. В процессе космологической эволюции Q-шары распадались, превращаясь в конечном итоге в частицы Стандартной модели и некоторые другие, которые, возможно, составляют сейчас темную материю.

Группа физиков-теоретиков из Японии и США под руководством Грэма Уайта (Graham White) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предложила метод экспериментальной проверки того, реализовался ли механизм бариогенеза Аффлека — Дайна в реальности. Их идея основывается на том, что если асимметрия между количеством вещества и антивещества возникла именно таким образом, то на определенном этапе эволюции Вселенной в ней существовало большое число Q-шаров. Эти квазичастицы очень тяжелые (барионный заряд Q-шаров, рассмотренных исследователями, составлял приблизительно 10²⁹, тогда как барионный заряд одного протона равен единице), а потому их движение в постинфляционной плазме, состоящей из более легких частиц, было нерелятивистским, и на долю Q-шаров приходилась большая часть всей массы вещества во Вселенной.

Если в энергетическом балансе Вселенной доминирует нерелятивистское вещество, как в сценарии Аффлека — Дайна, то длина волн скалярной моды возмущений плотности вещества в расширяющейся Вселенной растет. Вместе с этим растут и длины излучаемых этим веществом гравитационных волн, делая их потенциально детектируемыми с помощью современных и особенно будущих гравитационных обсерваторий. Q-шары влияют на возможность регистрации этих волн и с помощью увеличения их амплитуды, что происходит следующим образом. Как отмечалось ранее, Q-шары нестабильны и распадаются на другие частицы. Этот распад происходит тем быстрее, чем меньше становится солитон, и в конце жизни Q-шара скорость распада становится очень большой. Из-за этого Вселенная с доминированием нерелятивистского вещества резко превращается во Вселенную с доминированием релятивистского вещества и излучения, что приводит к быстрым осцилляциям скалярной моды возмущений. Они входят в резонанс с соответствующими модами гравитационных волн, излученных во время и после инфляции, усиливая их, а это делает их обнаружение еще более вероятным.

Ученые расчитывают, что их гипотезу можно будет проверить экспериментально с помощью будущих детекторов гравитационных волн, таких как подземный телескоп Эйнштейна, наземный Cosmic Explorer и космическая гравитационная обсерватория LISA. Проблемой, однако, является то, что ожидаемый исследователями спектр гравитационных волн очень похож на тот, который возникает при гипотетическом распаде легких изначальных черных дыр. Образовывались ли такие черные дыры в ранней Вселенной или нет — неизвестно, так что обнаружение даже одного из двух потенциальных источников усиленных гравитационных волн, образовавшихся во время инфляции, очень важно.

О том, что такое антивещество, как оно взаимодействует с веществом и о проблеме бариогенеза можно прочитать в нашем материале «С точностью до наоборот».

Андрей Фельдман