Miks on universumis tähed, planeedid, galaktikad ja elu, kui füüsikaseaduste järgi oleks aine võinud juba vahetult pärast Suurt Pauku peaaegu täielikult hävida? See on üks tänapäeva teaduse suurimaid mõistatusi, millele pole aastakümneid suudetud lõplikku vastust leida. Nüüd usuvad teadlased, et saladuse lahendus võib peituda ühes seni tähelepanuta jäetud elementaarosakeses, mille mõju universumi sünnile on alahinnatud, kirjutab ScienceDaily.
Southamptoni ülikooli ja India Kanpuri tehnoloogiainstituudi füüsikud on välja pakkunud uue teooria, mis võib aidata selgitada, miks universum ei jäänud pärast Suurt Pauku peaaegu täielikult ainest tühjaks.
Teadlaste tähelepanu keskmes on salapärane osake, mida nimetatakse raskeks neutriinoks.
Kuigi selle olemasolu pole veel katseliselt kinnitatud, näitavad uued arvutused, et osake võis universumi esimestel hetkedel mängida palju suuremat rolli, kui seni arvati.
Kui teadlaste hüpotees osutub õigeks, võis just selline osake aidata kaasa tingimuste tekkimisele, mis võimaldasid miljardeid aastaid hiljem kujuneda Päikesel, Maal ja lõpuks ka elul.
Miks ei hävinud kogu universumi aine?
Selle mõistmiseks tuleb minna tagasi aega, mil meie universum oli alles sündinud.
Umbes 13,8 miljardit aastat tagasi oli universum erakordselt kuum ja tihe. Suure Paugu järel toimunud kiire paisumise ning jahtumise käigus kujunesid tingimused, milles said tekkida elementaarosakesed.
Tänapäevaste füüsikateooriate järgi pidanuks varases universumis tekkima peaaegu võrdses koguses ainet ja antiainet.
Antiaine on tavalise aine omamoodi peegelpilt. Näiteks elektronil on antiaineosake positron, mille mass on sama, kuid elektrilaeng vastupidine.
Kui aineosake ja selle antiosake kohtuvad, võivad nad teineteise hävitada ehk annihileeruda, muundudes energiaks.
Kui universumis oleks olnud täpselt sama palju ainet ja antiainet ning need oleksid kõik omavahel kokku puutunud, poleks järele jäänud piisavalt ainet, millest moodustada tähti ja planeete.
Kuid ilmselgelt midagi sellist ei juhtunud.
Meie universum on täis galaktikaid, tähti, planeete, gaasipilvi ja elusolendeid.
See tähendab, et mingil hetkel tekkis aine ja antiaine vahel väike, kuid määrava tähtsusega erinevus.
Ainet jäi alles pisut rohkem kui antiainet – ja sellest väikesest ülekaalust kujunes lõpuks kogu meile nähtav maailm.
Kuidas see ülekaal tekkis, on üks osakestefüüsika lahendamata küsimusi.
Vastus võib peituda kummalises osakeses
Southamptoni ülikooli teadlane Rishav Roshan ja tema kolleeg Sudipta Show otsustasid uurida üht seni vähe tähelepanu saanud võimalust.
Nende töö keskmes on hüpoteetiline raske neutriino, mis suhtleb teiste elementaarosakestega äärmiselt nõrgalt.
Neutriinod on ühed universumi kõige salapärasemad osakesed.
Need on elektriliselt neutraalsed, erakordselt väikese massiga ning liiguvad läbi tavalise aine peaaegu takistamatult.
Igal sekundil läbib meie keha tohutu hulk neutriinosid, ilma et me seda märkaksime.
Kuid teadlased kahtlustavad, et lisaks seni tuntud neutriinodele võib eksisteerida ka nende raskemaid sugulasi.
Üks selline võimalik osake on niinimetatud eraldunud raske neutriino.
Seda nimetatakse eraldunuks, sest selle vastastikmõju teiste osakestega on väga nõrk.
Just sel põhjusel on paljud varasemad teoreetilised mudelid pidanud selle mõju universumi arengule ebaoluliseks.
Roshan ja Show jõudsid aga teistsuguse järelduseni.
Osake võis ajutiselt kogu universumi arengut mõjutada
Teadlaste arvutused näitasid, et äärmiselt nõrk vastastikmõju võis anda raskele neutriinole ühe erakordse omaduse.
Nimelt võis selline osake laguneda palju aeglasemalt kui teised sarnased osakesed.
See tähendaks, et osake jäi universumi jahtudes pikaks ajaks püsima.
Ühel perioodil võis selle osakese energia moodustada koguni valdava osa universumi kogu energiatihedusest.
Teisisõnu võisid need seni tähelepanuta jäetud osakesed ajutiselt määrata, kuidas noor universum paisus ja jahtus.
See on oluline, sest varase universumi temperatuur mõjutas otseselt elementaarosakeste omavahelisi reaktsioone.
Teadlaste arvutuste järgi võis raske neutriino muuta temperatuuri, mille juures toimusid Higgsiga seotud olulised osakeste vastastikmõjud.
Nende reaktsioonide ajastus võis omakorda mõjutada protsesse, mille kaudu tekkis aine ja antiaine vaheline ebavõrdsus.
Kõik võis sõltuda ühest väikesest erinevusest
Füüsikud nimetavad aine ja antiaine koguste erinevust aine-antiaine asümmeetriaks.
Selle tekkimiseks peavad varases universumis olema toimunud protsessid, mis võimaldasid ainel saada antiaine ees väikese ülekaalu.
Uue teooria järgi võis kaua püsiv raske neutriino muuta tingimusi, milles selline ülekaal kujunes.
Oluline ei ole see, et osake oleks ise loonud kogu tänapäevase aine.
Pigem võis see muuta universumi paisumise ja jahtumise kulgu ning mõjutada teiste elementaarosakeste reaktsioonide ajastust.
Sellest võis piisata, et aine ja antiaine tasakaal nihkuks aine kasuks.
Aja jooksul hävitas suurem osa aine- ja antiaineosakestest teineteise, kuid väike kogus ainet jäi alles.
Just sellest allesjäänud ainest said hiljem moodustuda esimesed aatomid, tähed ja galaktikad.
Miljardite aastate jooksul tekkisid galaktikates uued tähepõlvkonnad, raskemad keemilised elemendid ja planeedisüsteemid.
Ühes neist süsteemidest kujunes ka Maa.
Teooriat võib aidata kontrollida universumi iidne kaja
Kõige põnevam on asjaolu, et teadlaste uus hüpotees ei pruugi jääda ainult matemaatiliseks seletuseks.
Nende hinnangul võis raske neutriino mõju varase universumi paisumisele jätta endast jälje ürgsetesse gravitatsioonilainetesse.
Gravitatsioonilained on aegruumi võnked, mis tekivad näiteks mustade aukude või neutrontähtede kokkupõrgetel.
Einsteini üldrelatiivsusteooria ennustas nende olemasolu juba enam kui sada aastat tagasi ning 2015. aastal õnnestus gravitatsioonilaineid esimest korda otseselt tuvastada.
Teadlased arvavad, et ka väga varases universumis võisid tekkida gravitatsioonilained.
Need ürgsed lained võivad sisaldada teavet ajast, millest meil puuduvad otsesed valgusvaatlused.
Roshan ja Show arvutuste järgi võiks raske neutriino põhjustatud muutus universumi paisumises jätta selliste lainete spektrisse äratuntava jälje.
Kui tulevased gravitatsioonilainete mõõtmised sellise mustri tuvastavad, annaks see võimaluse uut hüpoteesi kontrollida.
Samas ei tähendaks üksnes sobiva signaali avastamine automaatselt, et raske neutriino olemasolu oleks lõplikult tõestatud. Teadlased peaksid välistama ka teised võimalikud seletused.
Kas teadlased on lõpuks universumi saladuse lahendanud?
Vaatamata põnevatele tulemustele ei ole tegemist lõpliku läbimurdega.
Uuring põhineb teoreetilistel arvutustel ja füüsikalistel mudelitel.
Hüpoteetilist rasket neutriinot, millele uus seletus tugineb, pole seni katseliselt avastatud.
Samuti pole kinnitatud, et universumi varajane areng kulges täpselt teadlaste kirjeldatud viisil.
Küll aga pakub uus töö ühe võimaliku selgituse, miks ainel õnnestus antiaine ees ülekaal saavutada.
Eriti tähelepanuväärne on asjaolu, et selleks ei pruugi vaja minna täiesti uut ja keerulist füüsikateooriat. Võimalik, et vastus peitub osakeste omadustes, mida on juba varem teoreetiliselt kirjeldatud, kuid mille mõju on alahinnatud.
Kas ilma selle osakeseta poleks meid olemas?
Kui teadlaste hüpotees leiab tulevikus kinnitust, annaks see olulise vastuse küsimusele, kuidas kujunes aine ülekaal, millest sai alguse kogu nähtava universumi areng.
See ei selgitaks siiski tingimata, miks Suur Pauk toimus, mis sellele eelnes või miks universum üldse eksisteerib.
Need küsimused jäävad ka uue teooria puhul lahtiseks.
Uuring näitab aga, kui suure tähendusega võis olla üks esmapilgul tähtsusetu elementaarosake.
Võimalik, et kogu meie olemasolu sõltus universumi esimestel hetkedel toimunud imeväikesest tasakaalunihetest. Ja selle muutuse kujunemisele võis kaasa aidata osake, millele füüsikud pole aastakümneid erilist tähelepanu pööranud.
