Происхождение материи во Вселенной и Симметрия Z₄

Физик-теоретик Сергей Вергелес, доцент МФТИ и старший научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, предложил новый механизм возникновения барионной асимметрии Вселенной. В работе, опубликованной в JETP Letters, ключевую роль играет дискретная симметрия Z₄ в рамках решеточной теории гравитации.

Одна из главных загадок современной космологии заключается в том, почему наша Вселенная состоит почти исключительно из материи. Согласно стандартным представлениям, при Большом взрыве материя и антиматерия должны были возникнуть в одинаковых количествах. При встрече они аннигилируют, превращаясь в излучение, а значит Вселенная должна была бы остаться заполненной лишь фотонами — без звезд, планет и жизни.

Однако этого не произошло. По неизвестной причине материя получила небольшое преимущество: примерно один лишний барион на миллиард фотонов. Именно этого крошечного перекоса оказалось достаточно для формирования всей наблюдаемой структуры Вселенной.

Объяснить происхождение этой асимметрии из фундаментальных законов физики до сих пор не удалось.

Работа Сергея Вергелеса основана на решеточной теории гравитации — подходе, в котором пространство-время рассматривается не как непрерывная среда, а как дискретная структура, напоминающая сеть или кристаллическую решетку. Эта идея восходит к работам итальянского физика Туллио Редже, который еще в 1960-х предположил, что на планковских масштабах пространство может обладать «зернистой» природой.

В версии теории, которую развивает Вергелес, геометрия пространства-времени описывается специальными математическими объектами — голономиями и тетрадами. На этой дискретной структуре существуют поля Дирака, отвечающие за описание фермионов — электронов, кварков и других частиц вещества.

Исследователь обнаружил, что действие этой теории обладает глобальной симметрией Z₄. Это дискретная симметрия, связанная с преобразованием, которое возвращает систему в исходное состояние после четырех последовательных применений.

Главная особенность состоит в том, что преобразование Z₄ смешивает частицы и античастицы. При очень высоких температурах ранней Вселенной эта симметрия не нарушена, и различие между материей и антиматерией фактически исчезает.

По смыслу это напоминает поведение магнетика выше точки Кюри. При высокой температуре направления спинов становятся равноправными, и материал теряет намагниченность. Но при охлаждении симметрия нарушается: система выбирает одно направление.

Согласно новой работе, похожий процесс происходил и в ранней Вселенной. Сначала Z₄-симметрия нарушалась до промежуточной симметрии Z₂, а затем разрушалась полностью. Именно на этом этапе возникло различие между частицами и античастицами, и материя получила преимущество.

Автор показал этот механизм строго математически в рамках своей модели.

Особое значение работе придает то, что рассматриваемая теория уже ранее была проверена на унитарность — одно из важнейших требований к любой квантовой теории. Многие подходы к квантовой гравитации сталкиваются с проблемами именно на этом этапе, тогда как модель Вергелеса сохраняет математическую корректность.

Новая Z₄-симметрия также связана с ранее изучавшимся PT-преобразованием — комбинацией пространственной инверсии и обращения времени. Таким образом, работа продолжает последовательную исследовательскую программу: от построения дискретной теории гравитации к изучению фазовых переходов ранней Вселенной и их космологических последствий.

«Различие между частицей и античастицей, которое сегодня кажется фундаментальным, в фазе с Z₄-симметрией просто отсутствует. При охлаждении Вселенной симметрия нарушается, и именно тогда возникает вопрос: каких частиц станет больше. Возможно, этот механизм поможет объяснить происхождение барионной асимметрии», — поясняет Сергей Вергелес, доцент кафедры теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ, старший научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН.

Следующий этап исследований связан с детальным анализом нарушения симметрии и вычислением величины возникающей асимметрии. Если теория сможет воспроизвести наблюдаемое соотношение — примерно один барион на миллиард фотонов, — это станет серьезным шагом к объяснению происхождения вещества во Вселенной из первых принципов квантовой гравитации.

Источник: Симметрия Z₄ и загадка барионной асимметрии Вселенной — За науку