Medir helio en galaxias distantes puede dar a los físicos una idea de por qué existe el universo

Medir helio en galaxias distantes puede dar a los físicos una idea de por qué existe el universo

Marca de tiempo: 27 de julio de 2023 10:00 a. M.
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Cuando los físicos teóricos como yo decimos que estamos estudiando por qué existe el universo, sonamos como filósofos. Pero los nuevos datos recopilados por los investigadores que utilizan la tecnología de Japón telescopio subaru ha revelado ideas sobre esa misma pregunta.

El Big Bang puso en marcha el universo tal como lo conocemos hace 13.8 millones de años. Muchas teorías en la física de partículas sugieren que para toda la materia creada en la concepción del universo, se debería haber creado una cantidad igual de antimateria junto con él. La antimateria, como la materia, tiene masa y ocupa espacio. Sin embargo, las partículas de antimateria exhiben las propiedades opuestas de sus correspondientes partículas de materia.

Cuando las piezas de materia y antimateria chocan, se aniquilarse unos a otros en una poderosa explosión, dejando atrás solo energía. Lo desconcertante de las teorías que predicen la creación de un equilibrio igualitario de materia y antimateria es que, si fueran ciertas, las dos se habrían aniquilado por completo, dejando el universo vacío. Así que debe haber habido más materia que antimateria en el nacimiento del universo, porque el universo no está vacío; está lleno de cosas que están hechas de materia, como galaxias, estrellas y planetas. Un poco de antimateria existe a nuestro alrededor, pero es muy raro.

Como físico trabajando en datos de Subaru, estoy interesado en este supuesto problema de asimetría materia-antimateria. En nuestras estudio reciente, mis colaboradores y yo descubrimos que la nueva medición del telescopio de la cantidad y el tipo de helio en galaxias lejanas puede ofrecer una solución a este misterio de larga data.

Después del Big Bang

En los primeros milisegundos después del Big Bang, el universo estaba caliente, denso y lleno de partículas elementales como protones, neutrones y electrones. nadando en un plasma. También presentes en este grupo de partículas estaban neutrinos, que son partículas muy pequeñas que interactúan débilmente, y antineutrinos, sus contrapartes de antimateria.

Los físicos creen que solo un segundo después del Big Bang, los núcleos de luz elementos como el hidrogeno y el helio comenzó a formarse. Este proceso se conoce como Nucleosíntesis del Big Bang. Los núcleos formados fueron de aproximadamente 75 por ciento de núcleos de hidrógeno y 24 por ciento de núcleos de helio, además de pequeñas cantidades de núcleos más pesados.

La comunidad de la física teoría más aceptada sobre la formación de estos núcleos nos dice que los neutrinos y antineutrinos jugaron un papel fundamental en la creación de los núcleos de helio, en particular.

La creación de helio en el universo primitivo ocurrió en un proceso de dos pasos. Primero, los neutrones y los protones se convierten de uno a otro en un serie de procesos involucrando neutrinos y antineutrinos. A medida que el universo se enfrió, estos procesos se detuvieron y la Se estableció la relación de protones a neutrones..

Como físicos teóricos, podemos crear modelos para probar cómo la relación entre protones y neutrones depende del número relativo de neutrinos y antineutrinos en el universo primitivo. Si más neutrinos estaban presentes, entonces nuestros modelos muestran que existirían más protones y menos neutrones como resultado.

A medida que el universo se enfriaba, el hidrógeno, el helio y otros elementos formado a partir de estos protones y neutrones. El helio se compone de dos protones y dos neutrones, y el hidrógeno es solo un protón y ningún neutrón. Entonces, cuantos menos neutrones haya disponibles en el universo primitivo, menos helio se produciría.

Porque los núcleos se formaron durante la nucleosíntesis del Big Bang. todavía se puede observar hoy, los científicos pueden inferir cuántos neutrinos y antineutrinos estaban presentes durante el universo primitivo. Lo hacen mirando específicamente las galaxias que son ricas en elementos ligeros como el hidrógeno y el helio.

Un diagrama que muestra cómo los protones y los neutrones forman átomos de helio.
En una serie de colisiones de partículas de alta energía, se forman elementos como el helio en el universo primitivo. Aquí, D representa deuterio, un isótopo de hidrógeno con un protón y un neutrón, y γ representa fotones o partículas de luz. En la serie de reacciones en cadena que se muestra, los protones y los neutrones se fusionan para formar deuterio, luego estos núcleos de deuterio se fusionan para formar núcleos de helio. Crédito de la imagen: Anne-Katherine Burns

Una pista en helio

El año pasado, la Colaboración Subaru, un grupo de científicos japoneses que trabajan en el telescopio Subaru, publicó datos sobre 10 galaxias mucho más allá de la nuestra que se componen casi exclusivamente de hidrógeno y helio.

Usar una técnica que permite a los investigadores distinguir diferentes elementos entre sí. basado en las longitudes de onda de la luz Observados en el telescopio, los científicos de Subaru determinaron exactamente cuánto helio existe en cada una de estas 10 galaxias. Es importante destacar que encontraron menos helio de lo que predijo la teoría previamente aceptada.

Con este nuevo resultado, mis colaboradores y yo trabajamos hacia atrás para encontrar el número de neutrinos y antineutrinos necesaria para producir la abundancia de helio encontrada en los datos. Piense en su clase de matemáticas de noveno grado cuando se le pidió que resolviera "X" en una ecuación. Lo que hizo mi equipo fue esencialmente la versión más sofisticada de eso, donde nuestra "X" era la cantidad de neutrinos o antineutrinos.

La teoría previamente aceptada predecía que debería haber el mismo número de neutrinos y antineutrinos en el universo primitivo. Sin embargo, cuando modificamos esta teoría para obtener una predicción que coincidiera con el nuevo conjunto de datos, Encontramos eso el número de neutrinos fue mayor que el número de antineutrinos.

¿Qué significa todo esto?

Este análisis de nuevos datos de galaxias ricas en helio tiene una consecuencia de gran alcance: puede usarse para explicar la asimetría entre la materia y la antimateria. Los datos de Subaru nos apuntan directamente a una fuente de ese desequilibrio: los neutrinos. En este estudio, mis colaboradores y yo probamos que esta nueva medida de helio es consistente con que haya más neutrinos que antineutrinos en el universo primitivo. A través de procesos de física de partículas conocidos y probables, la asimetría en los neutrinos podría propagarse a una asimetría en toda la materia.

El resultado de nuestro estudio es un tipo común de resultado en el mundo de la física teórica. Básicamente, descubrimos una forma viable en la que se podría haber producido la asimetría entre materia y antimateria, pero eso no significa que definitivamente se haya producido de esa manera. El hecho de que los datos encajen con nuestra teoría es un indicio de que la teoría que hemos propuesto podría ser la correcta, pero este hecho por sí solo no significa que lo sea.

Entonces, ¿son estos diminutos neutrinos la clave para responder a la antigua pregunta: "¿Por qué existe algo?" Según esta nueva investigación, podrían serlo.La conversación

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

Crédito de la imagen: NASA

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