Симметрия Z4: новый ключ к разгадке барионной асимметрии Вселенной

Все мы — результат космической «нечестной игры». Согласно Стандартной модели, при Большом взрыве материя и антиматерия должны были родиться в равных количествах. Их аннигиляция оставила бы лишь море фотонов — пустую безжизненную Вселенную. Но мы существуем, а значит, природа где-то нарушила симметрию. Этот феномен называют барионной асимметрией, и его объяснение требует новых физических идей.

Сергей Вергелес, доцент МФТИ и старший научный сотрудник Института теоретической физики им. Ландау РАН, предложил подход, основанный на решеточной теории гравитации. В этой теории пространство-время не непрерывно, а представляет собой дискретную «решетку», аналогичную кристаллической структуре. Идея восходит к итальянскому физику Туллио Редже (1961 год): на планковских масштабах (10⁻³⁵ метра) пространство должно иметь зернистую структуру.

Как работает симметрия Z4?

В своей работе Вергелес обнаружил, что в действии этой решеточной теории присутствует глобальная симметрия Z4. Z4 — это группа из четырех элементов, описывающая поворот на четверть оборота: применив ее четыре раза, возвращаемся к исходному состоянию. Это преобразование действует на поля Дирака, описывающие фермионы (кварки, электроны), и смешивает частицы с античастицами.

При сверхвысоких температурах ранней Вселенной симметрия Z4 не нарушена. Математически это означает, что различие между частицей и античастицей исчезает: и Ψ, и Ψ† описываются одними и теми же комбинациями полей. По мере охлаждения космоса симметрия нарушается поэтапно: сначала до подгруппы Z2 (промежуточная фаза с частично восстановленным различием), а затем ломается окончательно. В низкотемпературной фазе пространство-время обретает привычный вид, и материя получает преимущество над антиматерией.

Почему это важно?

Работа Вергелеса опирается на ранее доказанную унитарность его решеточной теории гравитации в пространстве-времени Минковского. Это свойство большинство кандидатов на квантовую теорию гравитации продемонстрировать не могут. Таким образом, выводы о Z4-симметрии получены в математически корректной теории, а не в игрушечной модели.

Введенное преобразование Z4 является «корнем» ранее изученного автором PT-преобразования — дискретного аналога комбинированной симметрии пространственной инверсии и обращения времени. Это встраивает текущую работу в масштабную исследовательскую программу: от построения решеточной теории гравитации через доказательство ее унитарности к пониманию фазовых переходов при планковских температурах и их космологических следствий.

Дальнейшие планы включают детальный анализ механизма нарушения симметрии и количественные оценки величины барионной асимметрии. Цель — получить из первых принципов значение примерно один барион на миллиард фотонов, соответствующее наблюдаемому. Если это удастся, результат станет одним из крупнейших достижений в теоретической физике последних десятилетий.