Наука и образование

Загадка барионной и лептонной асимметрии Вселенной может быть решена

Существует принципиально важный вопрос физики о причине барионной и лептонной асимметрии Вселенной – главной загадке физики элементарных частиц. На неё направлены грандиозные усилия в исследованиях на коллайдерах.

27 ноября на семинаре ОТФ и ОФВЭ в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ был представлен доклад заведующего Отдела нейтронной физики, чл.-корр. РАН, профессора Анатолия Павловича Сереброва «Барионная и лептонная асимметрия Вселенной в лево-правой модели слабого взаимодействия».

Первая часть доклада была посвящена анализу прецизионных данных распада нейтрона, в которых значительная часть результатов представлена экспериментами НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. В частности, прецизионными (с точностью 10^-3) измерениями времени жизни нейтрона с помощью ультрахолодных нейтронов и измерениями нейтринной асимметрии с точностью 10^-2. Новые измерения второй нейтринной асимметрии, выполненные немецкой группой два года назад, привлекли внимание Анатолия Павловича и научного коллектива в составе О.М. Жеребцова, А.К. Фомина, Р.М. Самойлова и Н.С. Буданова в связи с заметным расхождением с ожидаемым результатом в рамках Стандартной Модели (СМ). Поэтому был выполнен анализ полного набора экспериментальных данных распада нейтрона, и оказалось, что имеется расхождение со СМ на 3.7 стандартных отклонения. Вместе с тем анализ, проведённый в лево-правой модели показал, что набор экспериментальных данных успешно описывается с критерием хи-квадрат, равным 1.21. Результатом анализа явилось то, что обнаружено указание на возможность существования правого векторного бозона с массой (300±24) ГэВ и углом смешивания с левым векторным бозоном (-0.039±0.014) рад. (Рис. 1) Данный анализ был представлен в рецензируемый широко-известный журнал Physical Review D под названием «Анализ экспериментальных данных распада нейтрона на возможность существования правого векторного бозона» и был принят к печати 7 ноября 2025 года.

Предсказанная масса правого векторного бозона приблизительно в 2.5 раза больше масс скалярного Хиггсовского бозона и приблизительно в 4 раза больше массы левого векторного бозона. В данной статье предложен расширенный вариант лево-правой модели, где нарушение СР-инвариантности вводится благодаря разным знакам угла смешивания для положительного и отрицательного векторного бозона. Показано, что из-за достаточно малого угла смешивания резонанс правого бозона при энергии 300 ГэВ подавляется приблизительно в 100 раз и поэтому не был обнаружен на коллайдерах.

Вторая часть доклада была посвящена расчёту лептонной асимметрии Вселенной в рамках предложенной лево-правой модели. Было показано, что процесс осцилляций нейтральных мезонов успешно описывается и может быть применён для объяснения процесса возникновения лептонной асимметрии Вселенной. Как хорошо известно, одним из ключевых условий возникновения асимметрии является нарушение СР-инвариантности, указанное в знаменитой статье Андрея Дмитриевича Сахарова в 1967 году. Однако, причина СР-нарушения является неизвестной по настоящее время. В модели, предложенной А.П. Серебровым с сотрудниками, вскрывается физическая причина возникновения СР-нарушения, состоящая в том, что знак смешивания правого и левого векторного бозона противоположный для положительного и отрицательного векторного бозона. Таким образом, потенциал взаимодействия частиц и античастиц с космической плазмой разный, что является причиной возникновения асимметрий, как лептонной, так и барионной. В статье, опубликованной в виде препринта в международном архиве в 17 ноября 2025 года, представлен расчёт процесса формирования асимметрии при температуре космической плазмы выше 100 МэВ и процесса аннигиляции нейтральных мезонов и антимезонов при температуре ниже 30 МэВ, когда развивается процесс Большого Взрыва. (Рис. 2 и 3)

Третья часть доклада была посвящена возможности проверки предложенной лево-правой модели в эксперименте на реакторе ПИК. Для этого необходимо измерить с увеличенной приблизительно в 3 раза точностью все три асимметрии распада нейтрона на установке «Бета распад нейтрона», которая разрабатывается сейчас в рамках приборной программы реактора ПИК (Рис. 4.). С другой стороны, кроме этого нейтронного эксперимента нужно провести нейтринный эксперимент, т.к. существование правого векторного бозона предполагает существование правого нейтрино или так называемого стерильного нейтрино. Этот нейтринный эксперимент лаборатория А.П. Сереброва успешно проводит с 2013 года на реакторе СМ-3 НИИАР, где совместными усилиями двух институтов (НИЦ КИ-ПИЯФ и НИИАР Росатом) созданы уже две нейтринные лаборатории (Рис. 5). Таким образом, проведение двух экспериментов – нейтронного на реакторе ПИК и нейтринного на реакторе СМ-3 - позволит ответить на принципиальна важный вопрос физики о причине барионной и лептонной асимметрии Вселенной – главной загадке физики элементарных частиц.

Рис. 1. Сравнение результатов анализа распада нейтрона, которые применимы также для асимметрий распадов K⁰ K⁰ и D⁰ D⁰, а также ограничения из CPT-инвариантности для распадов π⁺π^- и μ⁺μ^-. Асимметрия распадов заряженных частиц, таких как μ^± π^± невозможна, что показано на графике.

Рис. 2. Слева: схема этапов эволюции Вселенной [71]. Справа: зависимость фактора подавления осцилляций  B⁰_s мезона за счёт разности потенциалов слабого взаимодействия для частиц и античастиц и температуры космической плазмы. Момент начала осцилляций происходит при 10^-3с и при температуре 30 МэВ, что совпадает с началом процесса аннигиляции мезонов.

Рис. 3. Как показывают расчёты на при температуре космической плазмы выше 100 МэВ процесс осцилляций нейтральных мезонов подавляется разностью потенциалов слабого взаимодействия. При этом подавляется и процесс их взаимной аннигиляции, именно на этом этапе возникает лептонная асимметрия, т.к. из-за процесса СР-нарушения происходит преимущественный распад антимезонов. На следующем этапе при температуре ниже 50 МэВ происходит аннигиляция оставшихся мезонов и антимезонов, увеличивая степень лептонной асимметрии. Для B⁰_s мезонов процесс аннигиляции происходит при температуре приблизительно 30 МэВ, для D⁰-мезонов процесс аннигиляция происходит при температуре приблизительно 20 МэВ, для B⁰-мезонов, процесс аннигиляции происходит при температуре приблизительно 10 МэВ и для K⁰-мезонов процесс аннигиляции происходит при температуре приблизительно 2 МэВ.

Рис. 4. 1) общая схема эксперимента, 2) элементы сверхпроводящей системы и 3) детальная схема установки для измерения асимметрий распада нейтрона. Траектории движения электронов отмечены синим цветом, траектории движения протонов отмечены красным цветом. Белый цилиндр находится под потенциалом +30 кВ. Жёлтые полуцилиндры – обкладки высоковольтных конденсаторов с потенциалами ±20 кВ. Зелёные диафрагмы находятся под нулевым потенциалом, поэтому протоны из области распада внутри белого цилиндра под потенциалом +30 кВ ускоряются и могут быть детектированы протонным детектором.

Рис 5. Монтаж электроники и завершение монтажа ФЭУ. Монтаж пассивной защиты в нейтринной лаборатории №2.