W fizyce od czasu do czasu zdarza się, że idea, którą naukowcy dawno temu uznali za martwą, nagle zyskuje nowe życie. Dokładnie tak stało się z hipotezą z XIX wieku, kiedy szkocki fizyk Lord Kelvin wyobrażał sobie atomy jako malutkie sęki w nieskończonym „eterze”. Ten obraz szybko rozpadł się pod naporem nowoczesnej atomistyki – ale dziś, prawie półtora wieku później, matematyczna idea węzłów powraca na scenę w zupełnie innym kontekście: jako możliwy klucz do odpowiedzi na pytanie, dlaczego w ogóle istnieje wszechświat, jaki znamy.

Nowa praca teoretyczna zespołu japońskich fizyków pokazuje, że „kosmiczne węzły” – egzotyczne, topologicznie chronione struktury w polach opisujących cząstki i siły – mogą naturalnie powstawać we wczesnym wszechświecie. Te węzły, jeśli rzeczywiście istniały, mogłyby wyjaśnić, dlaczego po Wielkim Wybuchu pozostała niewielka nadwyżka zwykłej materii w stosunku do antymaterii. Bez tej mikroskopijnej nadwyżki wszechświat byłby dziś wypełniony tylko promieniowaniem, a nie galaktykami, gwiazdami i nami samymi.

Badanie zostało opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters i pochodzi z międzynarodowego środowiska badawczego skupionego wokół Uniwersytetu w Hiroszimie. Fizycy w tej pracy łączą kilka największych zagadek współczesnej kosmologii – pochodzenie nadwyżki materii, ciemną materię, masy cząstek neutrino i tzw. silny problem CP – w jeden wspólny ramy oparte na idei węzłów w polach.

Lord Kelvin, eter i węzły: od błędnego obrazu atomów do nowoczesnej kosmologii

Kiedy Lord Kelvin w 1867 roku zasugerował, że atomy są w rzeczywistości stabilnymi węzłami w hipotetycznym eterze, fizyka nie znała elektronu, protonu ani mechaniki kwantowej. Uciekała się do ciągłych mediów i obrazów geometrycznych. Kiedy eksperymenty na początku XX wieku wykazały, że eter nie istnieje, a struktura atomowa sprowadzała się do jąder i elektronów, Kelvin był szybko cytowany przez wszystkich jako przykład pięknej, ale błędnej koncepcji.

Jednak sama matematyczna teoria węzłów – sposób, w jaki zamknięte pętle mogą się splątywać, przeplatać i deformować bez zerwania – rozwijała się dalej w czystej matematyce, a później w fizyce materii skondensowanej, a nawet w opisach pól w fizyce cząstek. W topologii, gałęzi matematyki, która bada właściwości, które nie znikają, gdy obiekt jest rozciągany lub skręcany, węzły reprezentują szczególnie stabilne konfiguracje: aby je rozwiązać, musisz przeciąć nić.

W nowej pracy japońskiego zespołu ta stara idea topologiczna powraca nie w formie sękaczych atomów, ale jako węzły w niewidzialnych polach, które przenikają wszechświat po Wielkim Wybuchu. Te węzły nie są obiektami, które moglibyśmy kiedykolwiek „zobaczyć” teleskopem jak lina czy kabel, ale abstrakcyjnymi konfiguracjami w równaniach opisujących fundamentalne siły i cząstki. Jednak ich obecność mogłaby pozostawić bardzo realne ślady w strukturze wszechświata.

Problem brakującej antymaterii i bariogeneza

Według standardowego scenariusza Wielkiego Wybuchu, wszechświat na samym początku powinien był stworzyć prawie równe ilości materii i antymaterii. Każda cząstka ma swoją parę antymaterii – elektron swój pozyton, proton swój antyproton. Kiedy się spotykają, wzajemnie się anihilują i zamieniają w czyste promieniowanie. Gdyby początkowy stosunek rzeczywiście wynosił jeden do jednego, naturalne jest oczekiwanie, że po krótkim czasie cała zawartość wszechświata zniknęłaby w błysku promieniowania gamma.

Zamiast tego, obserwacje pokazują, że widzialny wszechświat jest prawie w całości zbudowany z materii, podczas gdy antymateria jest niezwykle rzadka. Obliczenia teoretyczne mówią, że na każdy miliard par cząstek i antycząstek przetrwał tylko jeden „nadmiarowy” kawałek materii. Właśnie ta miniaturowa nadwyżka umożliwiła powstanie atomów, gwiazd, galaktyk i nas samych. Proces, który wytworzył tę nadwyżkę, nazywamy bariogenezą, ale jego dokładny mechanizm pozostaje jednym z najgłębszych otwartych pytań kosmologii.

Model Standardowy fizyki cząstek – ramy teoretyczne, które genialnie opisują prawie wszystkie znane cząstki i siły, z wyjątkiem grawitacji – nie jest w stanie wyjaśnić tak dużej asymetrii między materią a antymaterią. Potrzebne są dodatkowe składniki, nowe symetrie i cząstki, które wykraczają poza to, co zostało już odkryte w eksperymentach akceleratorowych. Nowy model kosmicznych węzłów próbuje się w to wpasować, oferując naturalny sposób na stworzenie nadwyżki materii bez wprowadzania zbyt dużej liczby elementów ad hoc.

Zespół z Hiroszimy i Instytut Stanów Materii „Węzłowej”

Badanie podpisują fizycy skupieni wokół Międzynarodowego Instytutu Zrównoważonego Rozwoju ze Splecioną Chiralną Metamaterią (WPI-SKCM²) na Uniwersytecie w Hiroszimie, wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu Keio w Japonii i niemieckiego laboratorium Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Jest to interdyscyplinarne centrum zajmujące się zjawiskami, w których „węzły” i pokrewne struktury topologiczne odgrywają rolę w różnych dziedzinach – od nowej generacji materiałów po fizykę fundamentalną.

Autorzy badania łączą wiedzę z teoretycznej fizyki cząstek, kosmologii i topologii matematycznej. W pracy pokazują, że w realistycznym rozszerzeniu Modelu Standardowego, takim, jakie jest zazwyczaj badane ze względu na masy neutrin i ciemną materię, spontanicznie tworzą się topologiczne węzły w polach. Te węzły, które nazywają solitonami węzłowymi, nie są tylko egzotyczną ciekawostką matematyczną, ale mogą odegrać kluczową rolę w bariogenezie.

Dwie stare symetrie w nowej kombinacji: B–L i Peccei–Quinn

Sercem nowego modelu są dwie symetrie, które fizycy badają od dziesięcioleci, ale których nikt do tej pory systematycznie nie połączył w jednolity scenariusz dla wczesnego wszechświata. Pierwszą jest tzw. symetria B–L, która odnosi się do różnicy między liczbą barionów (cząstek takich jak protony i neutrony) a leptonów (takich jak elektrony i cząstki neutrino). W tej teorii B–L nie jest tylko praktyczną wielkością rachunkową, ale symetrią cechowania (ang. gauge symmetry), co oznacza, że wymaga nowej siły z odpowiednimi „nośnikami” interakcji.

Drugim kluczowym elementem jest symetria Peccei–Quinn (PQ), wprowadzona w celu rozwiązania tzw. silnego problemu CP. Problem ten wynika z faktu, że teoria silnej siły jądrowej w zasadzie powinna dopuszczać niewielkie naruszenie symetrii między materią a antymaterią, ale eksperymenty od dziesięcioleci nie znajdują takiego efektu we właściwościach neutronu. Symetria Peccei–Quinn elegancko eliminuje ten niepożądany człon, a jako produkt uboczny wprowadza nową hipotetyczną cząstkę – akson – jednego z głównych kandydatów na ciemną materię.

Sam fakt, że symetria PQ rozwiązuje silny problem CP i dostarcza kandydata na ciemną materię, czyni ją niezwykle atrakcyjną. Ale autorzy nowej pracy zdecydowali się „sparować” ją z symetrią B–L. Przy tym starannie wybierają, aby PQ pozostała symetrią globalną (czyli nie staje się nową siłą), aby zachować delikatną równowagę potrzebną do tego, by akson zachował pożądane właściwości. Z drugiej strony, B–L jest wprowadzana jako symetria lokalna (cechowania), co naturalnie prowadzi do istnienia ciężkich neutrin prawoskrętnych – cząstek, które i tak narzucają się w większości scenariuszy bariogenezy.

Od kosmicznych strun do węzłów w polu

We bardzo wczesnym wszechświecie, tuż po Wielkim Wybuchu, temperatury były tak wysokie, że siły i cząstki zachowywały się inaczej niż dzisiaj. W miarę jak wszechświat się rozszerzał i ochładzał, przechodził przez serię przemian fazowych – nagłych zmian stanu pól, podobnych do zamarzania wody w lód, ale na poziomie fundamentalnych sił. Te przejścia fazowe mogły pozostawić „blizny” w strukturze przestrzeni, znane jako defekty topologiczne.

Jednym z rodzajów takich defektów są struny kosmiczne – niezwykle cienkie, ale masywne „pęknięcia” w polach, które rozciągają się przez wszechświat jak napięte nici. Chociaż są nadal hipotetyczne, struny kosmiczne często pojawiają się w teoriach wielkiego zjednoczenia i innych rozszerzeniach Modelu Standardowego. W nowej pracy, złamanie symetrii B–L tworzy magnetyczne rury strumienia (struny), podczas gdy symetria PQ rodzi struktury wirów podobne do wirów nadciekłych.

Kluczową ideą jest to, że te dwa typy defektów mogą się wzajemnie „zablokować” w stabilniejszą konfigurację. Struna B–L niesie strumień magnetyczny, podczas gdy wir PQ nie ma własnego strumienia, ale poprzez tzw. sprzężenie Cherna–Simonsa może „pompować” ładunek do magnetycznej rury. W ten sposób napięcie, które w przeciwnym razie rozerwałoby pierścień struny, jest równoważone dodatkową energią połączonej struktury, a cała kombinacja staje się metastabilnym węzłem – solitonem topologicznym, którego nie można po prostu rozciągnąć w płaską konfigurację.

Takie węzły to nie tylko matematyczny rysunek na tablicy. Ich masa i energia mogą być ogromne w skali wczesnego wszechświata, a dzięki ochronie topologicznej mogą żyć wystarczająco długo, by wpływać na dynamikę rozszerzania się wszechświata. Właśnie ta długowieczność otwiera przestrzeń dla scenariusza, w którym węzły przejmują tymczasową dominację nad całkowitą gęstością energii wszechświata.

„Era zdominowana przez węzły” – Okres, w którym węzły rządziły wszechświatem

Autorzy wprowadzają pojęcie „ery zdominowanej przez węzły” (ang. knot-dominated era), krótkiego okresu po Wielkim Wybuchu, podczas którego energia zmagazynowana w węzłach przewyższa energię promieniowania i zwykłej materii. Podczas gdy fotony są rozcieńczane i tracą energię w miarę wzrostu wszechświata, węzły zachowują się bardziej jak zimna materia: ich gęstość spada wolniej, więc mogą stać się dominującym składnikiem całkowitego budżetu energetycznego.

Ale ta dominacja nie trwa wiecznie. Chociaż są topologicznie chronione, węzły mogą się rozpadać poprzez tunelowanie kwantowe – proces, w którym system przechodzi przez barierę energetyczną, która klasycznie byłaby dla niego niedostępna. Poprzez tunelowanie węzeł może się „rozwiązać” i uwolnić swoją energię w postaci cząstek. W tym modelu to właśnie ten kolaps wyzwala łańcuch zdarzeń, który tworzy nadwyżkę materii.

Kiedy węzeł się rozpada, uwalnia dużą liczbę ciężkich neutrin prawoskrętnych, skalarów i nowych bozonów związanych z symetrią B–L. Te ciężkie neutrina następnie rozpadają się na lżejsze cząstki z niewielką preferencją na korzyść materii w stosunku do antymaterii. To małe, ale systematyczne „przechylenie” wystarczy do stworzenia początkowej asymetrii. W następnym kroku, znane procesy elektrosłabe w gorącym wszechświecie przekształcają tę asymetrię w trwałą nadwyżkę barionów – protonów i neutronów, z których jesteśmy zbudowani.

Obliczając, jak skuteczne są węzły w tworzeniu tych ciężkich neutrin, jaką masę mają te cząstki i jak ogrzewają wszechświat podczas rozpadu, autorzy pokazują, że model naturalnie prowadzi do temperatury tzw. ponownego ogrzewania wynoszącej około 100 gigaelektronowoltów (GeV). Co ciekawe, to właśnie wokół tej skali energetycznej zamyka się okno dla procesów, które mogą przekształcać asymetrię leptonową w barionową. Innymi słowy, model „trafia” w fizycznie sensowny moment w historii wszechświata, w którym asymetria musiała się utrwalić, jeśli miała przetrwać do dziś.

Potencjalny sygnatura fal grawitacyjnych węzłów

Jedną z największych zalet modelu kosmicznych węzłów jest to, że oferuje konkretny, fizycznie mierzalny ślad, którego przyszłe eksperymenty mogłyby szukać: tło fal grawitacyjnych. Oczekuje się, że węzły i sieci strun, które je tworzą, będą emitować fale grawitacyjne – zmarszczki w samej strukturze czasoprzestrzeni – przez cały okres ich istnienia, za każdym razem, gdy splątane nici drgną, połączą się lub rozpadną.

Taki sygnał nie wyglądałby jak krótki błysk, który detektory rejestrują dziś od czasu do czasu podczas kolizji czarnych dziur. Zamiast tego, byłby to ciągłe „tło dźwiękowe” – szum fal grawitacyjnych o różnych częstotliwościach, którego spektrum mogłoby różnić się od innych teoretycznych modeli wczesnego wszechświata. Według obliczeń autorów, dominacja węzłów i ich rozpad mogłyby przesunąć widmo grawitacyjne w kierunku wyższych częstotliwości, do obszaru, w którym przyszłe misje będą miały najlepszą czułość.

Europejska Agencja Kosmiczna planuje misję LISA (Laser Interferometer Space Antenna), kosmiczny interferometr czuły na fale grawitacyjne średnich częstotliwości, podczas gdy w USA i Japonii w przygotowaniu są projekty Cosmic Explorer i DECIGO. Jeśli te detektory w nadchodzących dziesięcioleciach zarejestrują tło fal grawitacyjnych, które odpowiada przewidywanej „sygnaturze” węzłów, byłby to mocny – choć niekoniecznie ostateczny – argument na korzyść tego scenariusza.

Dodatkową zaletą jest to, że model nie jest samodzielny: te same ramy przewidują akson jako kandydata na ciemną materię i ciężkie neutrina prawoskrętne, które uczestniczą w tworzeniu nadwyżki materii. Badania aksonu i neutrin są już oddzielnymi polami eksperymentalnymi. Jeśli w laboratoriach i obserwacjach kosmicznych równolegle pojawią się ślady aksonu, specyficznych właściwości cząstek neutrino i odpowiedniego tła grawitacyjnego, mozaika mogłaby ułożyć się w spójny obraz.

Co nowa teoria oznacza dla naszego obrazu wszechświata

Ważne jest, aby podkreślić, że jest to model czysto teoretyczny. Nikt jeszcze nie „widział” kosmicznego węzła, ani nie ma eksperymentu, który mógłby go bezpośrednio zarejestrować. Naukowcy pracują z równaniami pola, symetriami i argumentami topologicznymi, budując scenariusz, który jest matematycznie spójny i zgodny ze znanymi ograniczeniami fizycznymi. Ich praca pokazuje, że takie węzły nie są zabronione przez istniejącą wiedzę i że mogą powstać w naturalny sposób w ramach realistycznego rozszerzenia Modelu Standardowego.

Dla fizyki cząstek scenariusz jest interesujący, ponieważ łączy wiele problemów w jeden pakiet, zamiast wprowadzać oddzielne rozwiązanie dla każdego. Symetria B–L wprowadza ciężkie cząstki neutrino, które i tak są potrzebne do wyjaśnienia mas zwykłych neutrin. Symetria Peccei–Quinn rozwiązuje silny problem CP i otwiera drzwi dla aksonu jako kandydata na ciemną materię. Kosmiczne węzły powstają jako konsekwencja tych samych symetrii i przy tym zajmują się bariogenezą, czyli nadwyżką materii. To daje teorii pewien stopień „ekonomiczności”, który fizycy cenią.

Dla kosmologii model przedstawia kolejną możliwą historię o tym, co działo się w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci zaproponowano dziesiątki różnych mechanizmów bariogenezy, od leptogenezy przez przemiany fazowe po egzotyczne cząstki o krótkim czasie życia. Wiele z nich jest trudnych do przetestowania, właśnie dlatego, że odbywają się przy energiach i w czasach, do których nie możemy bezpośrednio dotrzeć. Kosmiczne węzły wyróżniają się tym, że ich „echo” w falach grawitacyjnych może być w zasięgu przyszłych obserwacji.

Oczywiście, to samo grawitacyjne „śpiewanie” tła mogłoby być wyjaśnione przez jakiś inny model – na przykład sieć zwykłych strun kosmicznych powstałych podczas wielkiego zjednoczenia lub inne egzotyczne procesy we wczesnym wszechświecie. Nawet jeśli przyszłe obserwacje pokażą sygnał, potrzebna będzie cała seria dodatkowych testów i porównań, aby zawęzić przestrzeń możliwych wyjaśnień. Ale fakt, że nowa teoria jest w ogóle falsyfikowalna, tzn. że oferuje jasne przewidywania, czyni ją poważnym kandydatem w grze.

Autorzy pracy podkreślają, że następnym krokiem jest dokładniejsze modelowanie tworzenia się i rozpadu węzłów, a także szczegółowa symulacja ich „partytury” fal grawitacyjnych. Konieczne jest zbadanie, dla jakich wartości parametrów – mas cząstek, sił sprzężenia i czasów przemian fazowych – węzły powstają wystarczająco często i żyją wystarczająco długo, by rzeczywiście miały obserwowalny efekt. Tylko wtedy będzie można równolegle analizować, czego oczekuje się od przyszłych detektorów i innych eksperymentów.

Topologia jako nić łącząca mikro- i makro-wszechświat

Być może najciekawszym filozoficznym aspektem tej historii jest to, że ponownie podkreśla moc topologii w rozumieniu natury. Kelvin intuicyjnie podejrzewał w XIX wieku, że węzły mogą odgrywać rolę w strukturze materii, chociaż nie miał właściwego narzędzia matematycznego ani eksperymentalnego, aby to udowodnić. Dziś, kiedy fizyka pola i symulacje numeryczne umożliwiają opis niezwykle złożonych konfiguracji, stara idea zyskuje nową, znacznie bardziej wyrafinowaną formę.

Węzły w polu – solitony topologiczne – pojawiają się w różnych gałęziach fizyki, na przykład w materiałach magnetycznych, nadcieczach i cieczach kwantowych. Jeśli potwierdzi się, że podobne struktury odegrały rolę również we wczesnej kosmologii, oznaczałoby to, że te same zasady matematyczne łączą fenomenologię na zupełnie różnych skalach: od laboratoryjnych próbek materiałów po cały wszechświat. Taka „uniwersalność” idei topologicznych jest jednym z powodów, dla których poświęca się im coraz więcej uwagi naukowej.

Na razie kosmiczne węzły pozostają eleganckim, ale jeszcze nie udowodnionym scenariuszem. Ale sama możliwość, że problem „brakującej” antymaterii można rozwiązać poprzez recykling jednej z najbardziej niezwykłych idei XIX wieku, przypomina, jak nieliniowa bywa nauka. Idee, które pewnego dnia wydają się na zawsze porzucone, mogą, w zupełnie innym kontekście i z dużo bogatszym aparatem, powrócić jako poważni kandydaci do wyjaśnienia najgłębszych zagadek wszechświata.