Hipotetyczne scenariusze hiperładowania mogą wyjaśnić asymetrię barionową we wszechświecie

21 lutego 2025 r.

Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, jednocześnie zapewniając wiarygodność treści:

zweryfikowane faktycznie

publikacja z recenzją

zaufany źródło

skorygowany

przez Ingrid Fadelli, Phys.org

Standardowy Model (SM), główna struktura fizyczna opisująca cząstki elementarne i siły, które nimi kierują, określa kluczowe wzorce interakcji fizycznych, zwane symetriami kalibracyjnymi. Jedną z opisywanych symetrii jest tzw. hiperładunek U(1)Y: symetria kalibracyjna, która przyczynia się do ładunku elektrycznego cząstek przed tym, jak oddziaływania elektromagnetyczne i słabe stają się odrębnymi (czyli przed przejściem fazowym elektrosłabym).

Badacze z Departamentu Fizyki Teoretycznej (DFT) Universidad Autónoma de Madrid i Instituto de Física Teórica (IFT) przeprowadzili niedawno badanie dotyczące tego, jak warunki obecne we wczesnym wszechświecie mogłyby spowodować spontaniczne złamanie tej symetrii kalibracyjnej, łącząc to z pewnymi modelami generacji masy neutrin znanych jako modele mas neutrin radiacyjnych. Ich praca, opublikowana w Physical Review Letters, opiera się specyficznie na teoretycznej strukturze zwanej modelem Zee-Babu, rozszerzeniem SM wyjaśniającym generację masy neutrin.

„W SM spontanicznie złamana elektrosłaba symetria kalibracyjna, rządząca oddziaływaniami elektromagnetycznymi i słabymi natury, została przywrócona w pierwszych chwilach wszechświata, gdy temperatura wszechświata była wyższa niż skala energii elektrosłabej” - powiedzieli Phys.org prof. Jose Miguel No, Luca Merlo, Alvaro Lozano-Onrubia i Sergio López-Zurdo.

„W ostatnich latach jeden z nas (prof. No) badał możliwość, że ta symetria mogła pozostać złamana we wczesnym wszechświecie, co mogłoby mieć istotne implikacje dla pochodzenia asymetrii materii-antymaterii w pierwotnym wszechświecie (tzw. 'asymetria barionowa wszechświata'). Jednak bardzo trudno było znaleźć rozszerzenia SM, które prezentowałyby taki efekt.”

Podczas uczestnictwa w warsztatach z fizyki teoretycznej w Monachium prof. No zaczął dyskutować o fenomenologii niektórych modeli fizyki cząstek generujących masy dla neutrin SM z prof. Kaladi Babu z Oklahoma State University. Prof. Babu, światowy ekspert w tych strukturach, znanych jako modele mas neutrin radiacyjnych, zaoferował cenne wskazówki, które otworzyły drogę dla aktualnego badania zespołu.

„Ta rozmowa doprowadziła do wniosku, że takie modele miały wymagane składniki potrzebne do utrzymania kalibracyjnej symetrii hyperładunku - jednej z dwóch symetrii, które tworzą elektrosłabą symetrię kalibracyjną - złamanej przy bardzo wysokich temperaturach” - powiedzieli badacze.

„Po powrocie do IFT w Madrycie wszyscy zasiadliśmy razem i potwierdziliśmy, że te modele mas neutrin mogą prezentować złamanie kalibracyjnej symetrii hyperładunku we wczesnym wszechświecie, co potencjalnie oferuje nowe spojrzenie na związek między masami neutrin a asymetrią barionową.”

SM posiada prosty sektor skalarny, który zawiera tylko pole Higgsa odpowiedzialne za generowanie masy dla masywnych cząstek opisanych w modelu. Ten prosty sektor skalarny sugeruje, że wszechświat miał dość podstawową historię termiczną, z symetriami kalibracyjnymi SM, które były dokładne przy wysokich temperaturach. Niemniej jednak symetria elektrosłaba spontanicznie łamie się przy niskich temperaturach, zjawisko to jest dobrze potwierdzone empirycznie.

„W pewnych rozszerzeniach SM z bogatszym sektorem skalarnym historia termiczna wszechświata byłaby bardziej złożona/skomplikowana” - wyjaśnili No, Merlo, Lozano-Onrubia i López-Zurdo. „W szczególności pokazaliśmy, że w rozszerzeniach, gdzie ten bogatszy sektor skalarny jest związany z generacją mas neutrin, kalibracyjna symetria hyperładunku SM może faktycznie być złamana przy wysokich temperaturach, podczas gdy w SM nie jest.”

Badacze pokazali, że złamanie symetrii hyperładunku we wczesnym wszechświecie może wyjaśnić zaobserwowane niezrównoważenie między materia i antymaterią w wszechświecie, znane jako problem asymetrii barionowej. W swojej pracy No, Merlo, Lozano-Onrubia i López-Zurdo przedstawiają niekonwencjonalny mechanizm, który mógł przyczynić się do powstania dzisiejszego wszechświata zdominowanego przez materię.

Odkrywaj najnowsze informacje ze świata nauki, technologii i przestrzeni z ponad 100 000 subskrybentami polegającymi na Phys.org dla codziennych spostrzeżeń. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje dotyczące przełomów, innowacji i badań, które mają znaczenie - codziennie lub co tydzień.

„Przede wszystkim nasze badanie podkreśla znaczenie uwzględnienia kwantowych wkładów w tych analizach, ponieważ nasze wyniki kluczowo zależą od ich właściwego uwzględnienia” - powiedzieli badacze.

\"Pokazaliśmy, że modele fizyki cząstek z nieminimalnym sektorem skalarnym są bardzo obiecującymi scenariuszami do jednoczesnego wyjaśniania kilku nierozwiązanych problemów Modelu Standardowego, w naszym przypadku pochodzenia mas neutrin i generacji asymetrii barionowej we wszechświecie.\"

Ostatnia praca tego zespołu badawczego niedługo może otworzyć interesujące możliwości dla badania fizyki neutrin i genezy materii. W przyszłości może to przyczynić się do rozwoju alternatywnych modeli wszechświata, które oferują lepsze wyjaśnienia dla jego asymetrii materii-antymaterii.

\"Jednocześnie nasza praca toruje drogę dla alternatywnych, nowych sposobów wyjaśniania pochodzenia asymetrii barionowej wszechświata, która ostatecznie prowadzi do naszego istnienia,\" powiedzieli badacze.

Ostatnie analizy przeprowadzone przez No, Merlo, Lozano-Onrubia i López-Zurdo dotyczą w szczególności określonego teoretycznego ramienia generacji masy neutrin znanej jako model Zee-Babu. W ramach swoich obecnych badań badacze starają się ustalić, czy ich wyniki mają zastosowanie tylko do tego modelu, czy można je rozszerzyć na szerszy zakres teorii opisujących bogate sektory skalarnie.

\"Co więcej, zjawisko 'łamania symetrii odwrotnej' (to, że pewna symetria, która miała być uważana za dokładną we wczesnym wszechświecie, została faktycznie wtedy złamana) może dostarczyć rozwiązania dla innych problemów Modelu Standardowego, takich jak problem 'strong-CP'—dlaczego silne interakcje wydają się zachowywać dyskretną symetrię CP,\" dodali badacze. \"Jest to możliwość, którą obecnie badamy w dalszej analizie, którą prowadzimy.\"

Więcej informacji:      S. López-Zurdo et al, Początkowe łamanie hiperładowania we wczesnym wszechświecie i generacja mas neutrin, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.041802.

Informacje o czasopiśmie:      Physical Review Letters

© 2025 Sieć Science X