Die Messung von Helium in entfernten Galaxien könnte Physikern Einblick in die Existenz des Universums geben

Neuauflage von Plato

Verfolger: 0

Wenn theoretische Physiker wie ich sagen, dass wir untersuchen, warum das Universum existiert, klingen wir wie Philosophen. Aber neue Daten, die von Forschern unter Verwendung japanischer Daten gesammelt wurden Subaru-Teleskop hat Einblicke in genau diese Frage gegeben.

The Big Bang hat das Universum ins Leben gerufen wie wir es vor 13.8 Milliarden Jahren kennen. Viele Theorien in der Teilchenphysik legen nahe, dass neben der gesamten Materie, die bei der Entstehung des Universums entstand, auch eine gleiche Menge Antimaterie hätte entstehen müssen. Antimaterie hat wie Materie Masse und nimmt Raum ein. Antimaterieteilchen weisen jedoch die entgegengesetzten Eigenschaften ihrer entsprechenden Materieteilchen auf.

Wenn Teile von Materie und Antimaterie kollidieren, entstehen sie vernichten sich gegenseitig in einer gewaltigen Explosionund hinterlässt nur Energie. Das Rätselhafte an Theorien, die die Schaffung eines gleichen Gleichgewichts von Materie und Antimaterie vorhersagen, ist, dass sich die beiden, wenn sie wahr wären, gegenseitig völlig vernichtet hätten und das Universum leer zurückgelassen hätte. Bei der Geburt des Universums muss es also mehr Materie als Antimaterie gegeben haben, denn das Universum ist nicht leer; Es ist voller Dinge, die aus Materie bestehen, wie Galaxien, Sterne und Planeten. Ein bisschen Antimaterie existiert um uns herum, ist aber sehr selten.

Als ein Physiker, der an Subaru-Daten arbeitet, ich interessiere mich für dieses sogenannte Problem der Materie-Antimaterie-Asymmetrie. In unserem aktuellen Studie, meine Mitarbeiter und ich fanden heraus, dass die neue Messung der Menge und Art von Helium in weit entfernten Galaxien durch das Teleskop eine Lösung für dieses seit langem bestehende Rätsel bieten könnte.

Nach dem Urknall

In den ersten Millisekunden nach dem Urknall war das Universum heiß, dicht und voller Elementarteilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen in einem Plasma herumschwimmen. In diesem Pool befanden sich auch Partikel Neutrinos, das sind sehr kleine, schwach wechselwirkende Teilchen, und Antineutrinos, ihre Gegenstücke zur Antimaterie.

Physiker gehen davon aus, dass nur eine Sekunde nach dem Urknall die Kerne des Lichts entstehen Elemente wie Wasserstoff und Helium begann sich zu bilden. Dieser Vorgang ist bekannt als Urknall-Nukleosynthese. Die gebildeten Kerne waren ca 75 Prozent Wasserstoffkerne und 24 Prozent Heliumkerne, plus kleine Mengen schwererer Kerne.

Die Physik-Community am weitesten verbreitete Theorie Über die Entstehung dieser Kerne erfahren wir, dass Neutrinos und Antineutrinos insbesondere bei der Entstehung von Heliumkernen eine grundlegende Rolle spielten.

Die Entstehung von Helium im frühen Universum erfolgte in einem zweistufigen Prozess. Zunächst werden Neutronen und Protonen in einem ineinander umgewandelt Reihe von Prozessen mit Neutrinos und Antineutrinos. Als sich das Universum abkühlte, hörten diese Prozesse auf und die Das Verhältnis von Protonen zu Neutronen wurde festgelegt.

Als theoretische Physiker können wir Modelle erstellen, um zu testen, wie das Verhältnis von Protonen zu Neutronen von der relativen Anzahl von Neutrinos und Antineutrinos im frühen Universum abhängt. Wenn Es waren mehr Neutrinos vorhanden, dann zeigen unsere Modelle, dass mehr Protonen und weniger Neutronen vorhanden wären.

Als sich das Universum abkühlte, entstanden Wasserstoff, Helium und andere Elemente aus diesen Protonen und Neutronen gebildet. Helium besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen, und Wasserstoff besteht nur aus einem Proton und keinen Neutronen. Je weniger Neutronen im frühen Universum verfügbar waren, desto weniger Helium würde produziert.

Denn die Kerne entstanden bei der Urknall-Nukleosynthese ist noch heute zu beobachtenWissenschaftler können daraus schließen, wie viele Neutrinos und Antineutrinos im frühen Universum vorhanden waren. Dazu untersuchen sie gezielt Galaxien, die reich an leichten Elementen wie Wasserstoff und Helium sind.

Ein Diagramm, das zeigt, wie Protonen und Neutronen Heliumatome bilden. — In einer Reihe hochenergetischer Teilchenkollisionen entstehen im frühen Universum Elemente wie Helium. Dabei steht D für Deuterium, ein Wasserstoffisotop mit einem Proton und einem Neutron, und γ für Photonen bzw. Lichtteilchen. In der gezeigten Reihe von Kettenreaktionen verschmelzen Protonen und Neutronen zu Deuterium, dann verschmelzen diese Deuteriumkerne zu Heliumkernen. Bildnachweis: Anne-Katherine Burns

Ein Hinweis auf Helium

Letztes Jahr veröffentlichte die Subaru Collaboration – eine Gruppe japanischer Wissenschaftler, die am Subaru-Teleskop arbeiten – Daten dazu 10 Galaxien weit außerhalb unserer eigenen, die fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestehen.

Verwendung einer Technik, die es Forschern ermöglicht, verschiedene Elemente voneinander zu unterscheiden basierend auf den Wellenlängen des Lichts Im Teleskop beobachtet, bestimmten die Subaru-Wissenschaftler genau, wie viel Helium in jeder dieser zehn Galaxien vorhanden ist. Wichtig ist, dass sie weniger Helium fanden, als die zuvor akzeptierte Theorie vorhersagte.

Mit diesem neuen Ergebnis haben meine Mitarbeiter und ich rückwärts gearbeitet, um das zu finden Anzahl der Neutrinos und Antineutrinos notwendig, um die in den Daten gefundene Heliumhäufigkeit zu erzeugen. Denken Sie an Ihren Mathematikunterricht in der neunten Klasse zurück, als Sie gebeten wurden, in einer Gleichung nach „X“ zu suchen. Was mein Team tat, war im Wesentlichen die ausgefeiltere Version davon, bei der unser „X“ die Anzahl der Neutrinos oder Antineutrinos war.

Die zuvor akzeptierte Theorie sagte voraus, dass es im frühen Universum die gleiche Anzahl an Neutrinos und Antineutrinos geben sollte. Als wir diese Theorie jedoch optimierten, um eine Vorhersage zu erhalten, die mit dem neuen Datensatz übereinstimmte, wir haben das gefunden Die Zahl der Neutrinos war größer als die Zahl der Antineutrinos.

Was bedeutet das alles zu bedeuten?

Diese Analyse neuer heliumreicher Galaxiendaten hat eine weitreichende Konsequenz – sie kann zur Erklärung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie verwendet werden. Die Subaru-Daten weisen uns direkt auf eine Quelle für dieses Ungleichgewicht hin: Neutrinos. In dieser Studie haben meine Mitarbeiter und ich bewiesen, dass diese neue Messung von Helium mit der Annahme übereinstimmt, dass es im frühen Universum mehr Neutrinos als Antineutrinos gab. Durch bekannte und wahrscheinliche Prozesse der Teilchenphysik, könnte sich die Asymmetrie in den Neutrinos in eine Asymmetrie in der gesamten Materie ausbreiten.

Das Ergebnis unserer Studie ist ein in der Welt der theoretischen Physik übliches Ergebnis. Grundsätzlich haben wir einen praktikablen Weg entdeckt, wie die Materie-Antimaterie-Asymmetrie hätte erzeugt werden können, aber das bedeutet nicht, dass sie definitiv auf diese Weise erzeugt wurde. Die Tatsache, dass die Daten mit unserer Theorie übereinstimmen, ist ein Hinweis darauf, dass die von uns vorgeschlagene Theorie die richtige sein könnte, aber diese Tatsache allein bedeutet nicht, dass sie es ist.

Sind diese winzig kleinen Neutrinos also der Schlüssel zur Antwort auf die uralte Frage: „Warum existiert etwas?“ Laut dieser neuen Forschung könnte dies der Fall sein.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bild-Kredit: NASA