Hipotetski teški neutrino koji fizičari često izostavljaju iz proračuna mogao je promijeniti širenje ranog svemira i uvjete u kojima je materija prevladala nad antimaterijom. Novi teorijski rad pokazuje da vrlo slaba interakcija s drugim česticama ne mora značiti i zanemariv kozmički učinak.
Rishav Roshan sa Sveučilišta u Southamptonu i Sudipta Show s Indijskog tehnološkog instituta u Kanpuru istražili su što se događa ako takva čestica opstane dovoljno dugo da njezin doprinos gustoći energije svemira privremeno nadmaši doprinos zračenja. Njihov rad objavljen je 8. rujna u časopisu Physical Review Letters.
Slabe interakcije, dug životni vijek
Poznati neutrini imaju iznimno malu masu. Jedno od mogućih objašnjenja njihove male mase pretpostavlja postojanje mnogo težih neutrina. U tom modelu, poznatom pod nazivom seesaw, hipotetski teški neutrini pomažu objasniti zašto su čestice koje opažamo tako lagane.
U nekim se proračunima za jedan od triju teških neutrina pretpostavlja da gotovo uopće ne stupa u interakcije s ostalim česticama. Njegov neposredni doprinos masama poznatih neutrina i nastanku neravnoteže između materije i antimaterije može biti toliko malen da ga se zanemari.
Roshan i Show razmotrili su upravo takav slučaj, ali su uzeli u obzir i vrlo slabu interakciju s drugim česticama. Zbog nje se teški neutrino raspada vrlo sporo. Dok se svemir širi i hladi, dugovječni teški neutrino može postati važniji za ukupnu gustoću energije od okolnog zračenja.
Brzina širenja svemira mijenja uvjete za reakcije
Brzina širenja svemira određuje koliko vremena čestice imaju za međusobne reakcije. Ako se svemir širi drukčije nego u uobičajenim proračunima, mijenja se i temperatura na kojoj pojedine reakcije postaju dovoljno brze da uspostave ravnotežu.
U novom modelu razdoblje prevlasti materije u ranom svemiru odgađa uspostavljanje ravnoteže u interakcijama nabijenih leptona, među kojima su elektroni, s Higgsovim poljem. Zbog toga u proračunima treba drukčije pratiti razlike među vrstama leptona.
To utječe i na leptogenezu, skup predloženih procesa u kojima najprije nastaje neravnoteža među leptonima i antileptonima, a zatim i višak materije od koje su izgrađene zvijezde i planeti. U prikazanom primjeru tu početnu neravnotežu stvaraju raspadi drugog, lakšeg teškog neutrina. Dugovječna čestica mijenja okolnosti u kojima se proces odvija.
Kad se ona naposljetku raspadne, energija oslobođena raspadom mijenja i konačnu veličinu te neravnoteže. Autori stoga u istom proračunu prate razvoj gustoće energije, temperature i viška čestica.
Tragovi u masama neutrina i gravitacijskim valovima
Scenarij povezuje životni vijek hipotetskog teškog neutrina s masom najlakšeg poznatog neutrina. Preciznija mjerenja masa zato bi mogla ograničiti dopuštene inačice modela. Ranija faza prevlasti materije mogla bi se odraziti i na spektar gravitacijskih valova iz vrlo ranog svemira.
Teški neutrino zasad nije otkriven, a rad predlaže način da se provjeri njegova moguća uloga. Za provjeru modela treba utvrditi mogu li eksperimenti s neutrinima i buduće opservacije gravitacijskih valova dosegnuti osjetljivost potrebnu za otkrivanje predviđenih tragova.
