Специалисты Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова (НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ), Новосибирского государственного университета (НГУ) и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) исследовали эволюцию доменных стенок (границ между областями материи и антиматерии) в ранней Вселенной. Учёные установили, что поведение стенок зависит от их толщины в плоском пространстве-времени и от параметра Хаббла – величины, характеризующей скорость расширения Вселенной. Результаты опубликованы в журнале The European Physical Journal C.

Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная полностью состоит из материи, в то время как антиматерии чрезвычайно мало и образуется она только вторичным образом – в результате реакций между частицами. Такое стопроцентное нарушение симметрии между материей и антиматерией в современной Вселенной представляет собой большую загадку. Ведь разумно было бы ожидать, что ранняя Вселенная была симметрична, и антиматерии в ней возникло столько же, сколько и материи. Для решения этой проблемы было выдвинуто несколько гипотез. Одна из них заключается в том, что мы живём в огромной области пространства, заполненной материей, но где-то далеко во Вселенной существуют и другие области, состоящие из антиматерии. Таким образом, Вселенная оказывается в целом симметричной, но возникает другая проблема – проблема доменных стенок. Это понятие, пришедшее в космологию из материаловедения: так называют границы между доменами – областями с различными направлениями намагниченности в магнетиках. В космологии же доменные стенки – это границы между доменами материи и антиматерии. Предположительно, они могли возникнуть на ранних этапах существования Вселенной, например, на стадии инфляции – то есть, в период очень быстрого расширения.

nasa звездное небо

"Celestial fireworks" (фото: архив NASA)

«Предположим, что в ранней Вселенной существовало некое поле, которое имело какое-то значение – пусть это будет условный ноль. В результате спонтанного нарушения симметрии, в каких-то областях пространства (доменах), поле приняло отрицательное значение, условно «–1», а в каких-то положительное – условно «+1», – поясняет младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Александр Руденко. – Там, где эти домены соприкасаются, поле плавно меняет своё значение от «–1» до «+1». Такая переходная область – граница между доменами – и есть доменная стенка».

«С течением времени толщина стенки может меняться. Мы установили, что поведение стенок зависит от двух параметров – от их толщины d в плоском пространстве-времени (то есть, в гипотетической ситуации, когда Вселенная статична и не расширяется, поэтому d – это константа), и от параметра Хаббла, который характеризует скорость расширения Вселенной (чем быстрее расширяется Вселенная, тем больше этот параметр), – рассказывает Александр. – Часто об этой величине говорят, как о «постоянной Хаббла», но на самом деле она меняется с течением времени, в частности, в ранней Вселенной она уменьшалась. Величина же обратная параметру Хаббла называется «радиус Хаббла», и она, соответственно, со временем возрастает (радиус Хаббла – это такое расстояние, находясь на котором объект, вследствие расширения Вселенной, удаляется от наблюдателя со скоростью света). Мы провели ряд вычислений и выяснили, что тонкие стенки, для которых параметр d меньше радиуса Хаббла, остаются тонкими вне зависимости от скорости расширения Вселенной, более того, их толщина всегда стремится к микроскопически малой постоянной величине. А вот толстые доменные стенки ведут себя по-другому: пока радиус Хаббла меньше, чем параметр d, стенки расширяются, но, когда радиус Хаббла, который растёт со временем, становится больше чем параметр d, расширение стенок сменяется сжатием. Это уменьшение толщины стенок происходит, несмотря на то, что Вселенная всё это время продолжает расширяться. Таким образом, какова бы ни была толщина вначале, через какое-то время она становится некой постоянной величиной – стенка прекращает эволюционировать».

график зависимости толщины стенки от времени толстые стенки 1

График зависимости толщины стенки от времени существования (толстые стенки). Убывание начинается в точке, где  радиус Хаббла увеличился настолько, что стал равен параметру d (фото предоставлено Александром Руденко)

«В первоначальной модели Вселенной, доменные стенки также не эволюционировали: раз возникнув, они потом никуда не исчезали, – рассказывает советник по научной работе НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ, заведующий лабораторией НГУ, профессор, доктор физ.-мат. наук Александр Долгов. – Но если бы это действительно было так, то стенки, которые содержат в себе колоссальную плотность энергии, испортили бы изотропию Вселенной, то есть одинаковость её физических свойств во всех направлениях, и, в частности, привели бы к большому различию температуры реликтового излучения в разных половинках неба, чего не наблюдается».

график зависимости толщины стенки от времени тонкие стенки 1 

График зависимости толщины стенок от времени существования (тонкие стенки). После нескольких начальных колебаний толщина стенки стремится к константе (фото предоставлено Александром Руденко)

На сегодняшний момент доменные стенки не обнаружены экспериментально, поэтому учёными из Лаборатории космологии и элементарных частиц НГУ, возглавляемой Александром Долговым, был предложен механизм, при котором ещё на стадии инфляционного расширения Вселенной начинается процесс размывания этих стенок. Тем не менее, к моменту рождения материи и антиматерии, происходившему сразу после стадии инфляции, поле, которое образовывало стенку, всё ещё довольно велико, и в тех доменах, где поле положительно, возникает преимущественно материя, а в тех доменах, где поле отрицательно – антиматерия. Вскоре после этого поле внутри доменов обращается в ноль, а значит, исчезает и переходная область между доменами – доменная стенка.«Если бы стенки были живы в настоящее время, их было бы прекрасно видно по гравитационному полю, – комментирует Александр Долгов, – поэтому мы придумали способ, как эти стенки уничтожить, чтобы они не портили нашу Вселенную, но при этом домены вещества и антивещества останутся».

В дальнейшем учёные планируют продолжить свои исследования. «Наша теоретическая модель предсказывает существование космологически больших доменов материи и антиматерии с исчезнувшими к настоящему времени доменными стенками, – говорит Александр Руденко. – Если она верна, то в одном из таких доменов материи мы и живём. Сейчас мы работаем над усовершенствованием этой модели: хотим получить количественные предсказания, чтобы можно было сравнить их с результатами астрономических наблюдений. В частности, хотелось бы понять, на каком минимальном расстоянии от нас могут находиться домены антиматерии. В пессимистичном варианте таких доменов в наблюдаемой Вселенной вообще нет. Но в оптимистичном сценарии можно ожидать, что это расстояние составляет несколько сотен миллионов световых лет. Как знать, вдруг какое-нибудь далёкое скопление галактик, которое астрономы уже много лет наблюдают, на самом деле состоит из антиматерии»