Мутации одноклеточных и осцилляции нейтрино прояснят
По-настоящему великое - такое, как понимается совеременной наукой, что только есть в мироздании - представляет ничтожно малое.
Без понимания этого малого - такого, что его пока еще деятели науки не в состоянии адекватно уловить даже через суперсовременные технологии и аппараты - невозможно узнать и понять, как устроилось все в ходе эволюции ни на Земле, ни в самой Вселенной.
Цельная картина из-за этого пока не складывается, но дополняется новыми штрихами и нюансами, точность и достоверность коих нуждается в подтверждении.
Однако нужное кроется в развилках мельчайших нюансов, в ассимметрии и симметрии, разности скоростей и масс, всех тех процессов, что когда-либо проиходили, происходят сейчас и будут еще происходить.
Представить и понять эволюцию живого на планете Земля, с чего именно, собственно, все начиналось, и почему пошло именно по пути, каким он по факту случился, нельзя без знаний о зарождении и развитии первых земных бактерий и архей, являющихся одноклеточными организмами.
Есть, конечно, еще и эукариоты, кои, как достаточно давно уже установили деятели науки, объединяют большинство многоклеточных организмов, но эукариоты - эволюционизировали позже, чем бактерии и археи, причем - даже и по эволюционным меркам на порядок позже. Чтобы понять, с чего именно и как конкретно зародилась жизнь на Земле, каково ее было развитие на самом раннем этапе, эукариоты годятся не очень. Для этого следует вскрыть эволюционную историю бактерий и архей, первых земных одноклеточных живых организмов. Но она просто так - за здорово живешь - не раскрывает своих тайн.
Но цельная картина в итоге не выстроилась. Потому что деятели науки в результате исследований открыли, что в раннем периоде эволюции жизни у земных одноклеточных разные их типы генов перестраивались, изменяясь, с различной скоростью, поэтому и частота мутаций в ранней земной жизни намного превосходила ту, коя имеется теперь.
То есть - из-за стремительности частоты мутаций в раннюю стадию земной жизни развитие самой жизни шло весьма быстро. Поэтому пока трудно понять, в какой непосредственно первородной среде первозданные бактерии и археи пребывали и откуда и из каких источников они черпали необходимую для функционирования своей жизни энергию.
Чтобы развернуть картину эволюции ранней земной жизни - следует установить вот эти нюансы.
Почти об аналогичной загвоздке, но - уже в макромире, на стадии ранней эволюции Вселенной, разгадка которой, быть может, даст деятелям науки ключ к пониманию «причин полного доминирования материи над антиматерией в нынешней Вселенной», повествуют в своем пересказе «Элементы».
Суть в том, что деятели науки «впервые» обнаружили сильно заметное так называемое «несохранение CP-симметрии в нейтринных осцилляциях». Причем - как выявили деятели науки на экспериментах та самая «CP-симметрия нарушается намного сильнее, чем в кварковых превращениях».
На пути понимания происходивших во Вселенной эволюционных процессов деятелям науки внятно уже многое, но не только далеко не все, а и пока по факту - маловато, мягко говоря. Выстроенная так называемая Стандартная модель не может объяснить чересчур многого.
Пока деятели науки пришли к осознанию того, что «после выхода Вселенной из фазы инфляционного расширения (ее возраст составлял тогда 10−34 сек) в ней было поровну частиц и античастиц», однако произошедшие следом «процессы»
«полностью освободили ее от антиматерии, но сохранили очень небольшую часть материи». В результате возникла «первичная популяция протонов, нейтронов и электронов», которая и дала, собственно, материал «для атомов и молекул» мироздания, строительства вселенной.
Сейчас «на каждые 4 кубических метра космического пространства», как разъясняется, «приходится в среднем по миллиарду квантов микроволнового реликтового излучения, одному электрону и одному протону, состоящему из трех кварков», а вот «число нейтронов всемеро меньше, и в свободном состоянии они не встречаются».
Позитроны же с антипротонами и антинейтронами рождаются в таком ничтожно малом количестве, что ими в космологическом масштабе, как изъяняются деятели науки, можно и «пренебречь».
Однако такая ситуация во Вселенной существовала не всегда. В частности, анализ реликтового излучения приблизившейся к возрасту одной миллионой доли секунды Вселенной показывает, что «число кварков превышало число антикварков в пропорции одной-двух частиц на десять миллиардов».
Из-за данного «дисбаланса» произошла уничтожившая все антикварки «аннигиляция», которая при всем при этом «сохранила ничтожную часть кварков», кои не обнаружили «антипартнеров». Но «уцелевшие кварки объединились в протоны и нейтроны, на что потребовалось не больше четырех-пяти микросекунд».
После достижения вселенной возраста одной секунды - «аннигилировали и исчезли позитроны, пребывавшие в таком же ничтожном дисбалансе с электронами», в результате во вселенной возникло состояние полного исчезновения реликтовой антиматерии.
Деятелям науки известно (или им представляется, что известно) уже и многое другое, но многое пока - не совсем стыкуется.
«В частности, очень важную роль играет как полное лептонное число (разность между между числом лептонов и антилептонов), так и лептонные числа отдельных разновидностей лептонов, на языке физики — ароматов (это электронное лептонное число, мюонное число и тау-лептонное число). Согласно Стандартной модели, при энергиях выше приблизительно 100 ГэВ барионное число не сохраняется, однако должны сохраняться несколько его линейных комбинаций с лептонными числами. В частности, сохраняется разность между барионным числом B и полным лептонным числом L, которое есть сумма всех трех ароматных лептонных чисел. Можно показать, что если в состоянии термодинамического равновесия разность B − L отлична от нуля, то как B, так и L ей пропорциональны. Конкретно, в этом случае выполняются два равенства: B = C·(B − L) и L = (C − 1)·(B − L), где С — некоторая численная константа, лежащая между нулем и единицей. Отсюда следует очень интересный вывод. Предположим, что в какой-то фазе ранней эволюции Вселенной не сохраняется лептонное число, то есть, возникает лептонная асимметрия. Это может произойти по разным причинам — в частности, через рождение крайне нестабильных сверхмассивных частиц определенного типа, так называемых майорановских нейтрино. Эти частицы превращаются в бозоны Хиггса и лептоны. Поскольку в таких распадах не сохраняются лептонные числа, они могут порождать больше электронов, нежели позитронов. Аналогично, количество новорожденных легких нейтрино не обязано совпадать с количеством антинейтрино. В результате у Вселенной появляется ненулевое лептонное число, которое после полного распада всех майоранов практически не изменяется.
Этот процесс называется лептогенезом, или лептогенезисом (см. Leptogenesis).
Этим дело не кончается. Взаимодействие между лептонами высоких энергий, оставшимися после распада майоранов лептонами, может привести к появлению кварков и антикварков, ранее просто не существовавших. Это уже бариогенез (он же бариогенезис) — возникновение барионов, частиц, принимающих участие в сильном взаимодействии. Существуют правдоподобные сценарии, в которых дисбаланс лептонов и антилептонов оборачивается избытком кварков над антикварками, барионов над антибарионами. Такая модель была впервые описана 34 года назад в основополагающей статье двух японских физиков, получившей огромное количество ссылок (M. Fukugita, T. Yanagida, 1986. Bariogenesis without grand unification). Правда, термин «лептогенез» там отсутствует, но сути дела это не меняет.
Есть и другие сценарии бариогенеза через лептогенез — например, за счет тепловых скачков с участием так называемых сфалеронов (sphaleron). В любом случае разность B − L оказывается отличной от нуля, а следовательно, не зануляются по отдельности ни B, ни L. Не будет преувеличением сказать, что сейчас бариогенез через лептогенез — самая популярная интерпретация дефицита антиматерии в нашей Вселенной.
Коль скоро в современной (да и в куда более ранней) Вселенной есть (и была) барионная асимметрия, обязана существовать и асимметрия лептонов.
Поскольку плотность электронов точно равна плотности протонов в силу электронейтральности Вселенной, лептонная асимметрия должна непосредственно проявляться в избытке реликтовых нейтрино над антинейтрино или антинейтрино над нейтрино. Ее можно было бы определить в эксперименте, если бы удалось измерить концентрации реликтовых нейтрино и антинейтрино.
К сожалению, осуществление таких измерений находится за рамками возможностей современной астрофизики. Так что доказывать наличие лептонной асимметрии надо какими-то иными способами.
Такие возможности в принципе имеются. Например, существует довольно экзотический ядерный процесс, двойной бета-распад. В отличие от обычного бета-распада, в этом процессе сразу два внутриядерных нейтрона превращаются в протоны, испуская пару электронов и пару антинейтрино. Такие превращения происходят редко, но все же случаются. Теория допускает возможность безнейтринного двойного бета-распада - то есть, перескока ядра на две позиции правее по таблице Менделеева с испусканием лишь одних электронов. Если его удастся обнаружить в эксперименте, это станет прямой демонстрацией несохранения лептонного числа. Поиски двойного безнейтринного бета-распада ведутся уже много лет, но пока не привели к успеху.
Но вот другой путь — не столь прямой, но, возможно, более перспективный. Как уже говорилось, несохранение комбинированной четности в процессах с участием кварков давно обнаружено, несмотря на малость этого эффекта. CP-симметрия точно так же должна нарушаться и в лептонных процессах, однако до сих пор ничего такого не удавалось выявить ни в одном эксперименте. Если бы это получилось и, еще лучше, масштаб эффекта оказался бы значительным, то такой результат стал бы вполне реальным подверждением классической модели лептогенеза, предложенной в 1986 году.
Если верить авторам вышедшей на прошлой неделе статьи в Nature, они добились в этом определенного успеха — правда, далеко не полного. Их вывод основан на результатах многолетнего эксперимента по наблюдению нейтринных осцилляций, то есть, изменения ароматов нейтрино на пути от источника к детектору. Эти осцилляции являются прямым следствием наличия у всех разновидностей нейтрино пусть и очень малых, но ненулевых масс,- разъясняется в пересказе.дополнительные материалыТемную материю отыщет служба приливов и отливов
Результаты проведенных деятелями науки экспериментов их обнадежили до предположения о том, что «в этих процессах CP-симметрия нарушается намного сильнее, чем в кварковых превращениях». Однако доподлинно сегодня подтвердить такое предположение пока невозможно, поскольку не имеется для этого еще технических возможностей, они - при самых оптимистичных подсчетах - могут появится в тридцатых годах нынешнего столетия.
Тем не менее это «интересная», как заявляется в пересказе, «заявка на будущее».
Кто знает, тогда, быть может, и действительно приоткроется нечто кардинально новое в эволюции мироздания.
А не одни лишь, как сейчас, повествования о коронавирусе, из коих каких-либо внятных представлений об его эволюции покуда невозможно даже и составить.