Почему материи больше, чем антиматерии?

Вопрос

У каждой частицы материи есть античастица: та же масса, противоположный заряд. Когда частица встречает свою античастицу, обе исчезают во вспышке энергии. А когда энергия превращается в материю, в ускорителях или в ранней Вселенной, частицы и античастицы рождаются равными парами.

Значит, Большой взрыв должен был создать ровно столько же антиматерии, сколько материи. Остывая, Вселенная должна была почти полностью их аннигилировать и остаться заполненной светом и больше ничем. Вместо этого есть звёзды, планеты и мы. Где-то в первые мгновения материя победила. Как?

Что известно

Антиматерия реальна и хорошо изучена. Поль Дирак предсказал её в 1928 году, а позитрон, античастица электрона, был найден в 1932-м. Сегодня в CERN создают атомы антиводорода и удерживают их в ловушках; в 2023 году эксперимент ALPHA показал, что они падают вниз под действием гравитации, как обычная материя.
Наблюдаемая Вселенная состоит из материи. Если бы существовали целые области антиматерии, мы видели бы гамма-излучение с границ, где она встречается с материей. Такого сигнала не найдено вплоть до масштабов наблюдаемой Вселенной.
Дисбаланс был крошечным. По свету, оставшемуся от Большого взрыва, космологи рассчитывают, что примерно на каждый миллиард античастиц приходился миллиард и одна частица. Всё, что мы видим, сделано из этой одной лишней миллиардной доли.
В 1967 году Андрей Сахаров перечислил три условия, которые нужны Вселенной, чтобы получить такой дисбаланс: процессы, меняющие число частиц материи, различие в поведении материи и антиматерии (так называемое нарушение CP-симметрии) и период, когда Вселенная была вне равновесия.
Нарушение CP-симметрии существует. Его открыли в 1964 году в распадах каонов, потом увидели у других частиц, а в 2025 году эксперимент LHCb обнаружил его у барионов — семейства, к которому относится протон. Но в Стандартной модели физики оно в миллиарды раз слабее, чем нужно, чтобы объяснить наблюдаемую материю.

Основные гипотезы

Лептогенезис

Ключ может быть у нейтрино. Если в ранней Вселенной существовали очень тяжёлые родственники нейтрино, их распады могли сначала создать дисбаланс среди лептонов (семейства электрона), а известные процессы затем превратили бы его в избыток материи. Эта идея заодно объясняет, почему обычные нейтрино такие лёгкие. Сейчас эксперименты проверяют, по-разному ли ведут себя нейтрино и антинейтрино; японский эксперимент T2K сообщил о первом намёке.

Электрослабый бариогенезис

Дисбаланс мог возникнуть, когда «включилось» поле Хиггса, через долю секунды после Большого взрыва, если это произошло резко, как вода, закипающая пузырями. Но с массой бозона Хиггса, измеренной в 2012 году, Стандартная модель предсказывает плавный переход, так что этому пути нужны новые частицы, которых Большой адронный коллайдер пока не нашёл.

Другие механизмы

Есть множество других предложений, от распадов гипотетических сверхтяжёлых частиц до процессов, связанных с космической инфляцией. Некоторые связывают избыток материи с тёмной материей, которой примерно в пять раз больше обычной; возможно, это соотношение не случайно.

Где заканчивается понимание

Мы знаем, что дисбаланс существует, насколько он был велик и какие условия для него были нужны. Мы не знаем, какой процесс его на самом деле создал. Единственные механизмы, измеренные в лаборатории, слишком слабы. Каждое работающее объяснение требует физики, которую пока не наблюдали.

Трудность в том, что ключевые события происходили при энергиях и в моменты, которые нам недоступны. Тяжёлые частицы лептогенезиса могут быть настолько массивными, что их не получит ни один коллайдер. Тогда теорию можно будет проверить только косвенно, по свойствам обычных нейтрино, и это сделало бы её правдоподобной, но не доказанной.

Это одно из самых ясных доказательств того, что Стандартная модель физики неполна. Она почти идеально описывает все эксперименты, но не может объяснить, почему во Вселенной вообще есть на чём их ставить.

Что могло бы дать ответ

Уверенное измерение нарушения CP-симметрии у нейтрино. Для этого строятся эксперименты DUNE в США и Hyper-Kamiokande в Японии, которые должны заработать в ближайшие годы.
Наблюдение безнейтринного двойного бета-распада — редкого процесса, который показал бы, что нейтрино является собственной античастицей, а это ключевое условие лептогенезиса.
Открытие новых частиц или нового источника нарушения CP-симметрии, достаточно сильного для наблюдаемого дисбаланса, и расчёт, дающий правильное число.