Heeliumi mõõtmine kaugetes galaktikates võib anda füüsikutele ülevaate sellest, miks universum eksisteerib

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Kui teoreetilised füüsikud nagu mina ütlevad, et me uurime, miks universum eksisteerib, kõlame nagu filosoofid. Kuid uued andmed, mille teadlased on kogunud Jaapani andmeid kasutades Subaru teleskoop on paljastanud arusaamu just selles küsimuses.

Big Bang pani universumi käima nagu me seda teame 13.8 miljardit aastat tagasi. Paljud teooriad osakeste füüsikas viitavad sellele, et kogu universumi kontseptsioonil loodud aine jaoks oleks pidanud selle kõrvale looma võrdne kogus antiainet. Antiainel, nagu ainel, on mass ja see võtab ruumi. Antiaineosakestel on aga nende vastavatele aineosakestele vastupidised omadused.

Kui aine ja antiaine tükid põrkuvad, siis nad hävitage üksteist võimsa plahvatusegajättes maha vaid energia. Aine ja antiaine võrdse tasakaalu loomist ennustavate teooriate puhul on mõistatuslik asjaolu, et kui need oleksid tõesed, oleksid need kaks teineteise täielikult hävitanud, jättes universumi tühjaks. Seega pidi universumi sünni ajal olema rohkem ainet kui antiainet, sest universum ei ole tühi; see on täis asju, mis on valmistatud mateeriast, nagu galaktikad, tähed ja planeedid. Natuke antiainet eksisteerib meie ümber, kuid see on väga haruldane.

Selle füüsik, kes töötab Subaru andmetega, olen huvitatud sellest nö aine-antiaine asümmeetria probleem. Meie hiljutine uuring, leidsime koos kolleegidega, et teleskoobi uus heeliumi hulga ja tüübi mõõtmine kaugetes galaktikates võib pakkuda lahendust sellele kauaaegsele mõistatusele.

Pärast Suurt Pauku

Esimestel millisekunditel pärast Suurt Pauku oli universum kuum, tihe ja täis elementaarosakesi, nagu prootonid, neutronid ja elektronid plasmas ringi ujumas. Samuti esines selles basseinis osakesi neutrinos, mis on väga pisikesed, nõrgalt interakteeruvad osakesed, ja antineutriinod, nende antiaine vasted.

Füüsikud usuvad, et vaid üks sekund pärast Suurt Pauku on valguse tuumad elemendid nagu vesinik ja hakkas tekkima heelium. Seda protsessi tuntakse kui Suure Paugu nukleosüntees. Moodustunud tuumad olid umbes 75 protsenti vesiniku tuumad ja 24 protsenti heeliumi tuumad, pluss väikeses koguses raskemaid tuumasid.

Füüsika kogukonna oma kõige laialdasemalt aktsepteeritud teooria Nende tuumade moodustumise kohta ütleb meile, et neutriinodel ja antineutriinodel oli heeliumituumade loomisel põhiroll.

Heeliumi loomine varases universumis toimus kaheetapilise protsessina. Esiteks muundati neutronid ja prootonid ühest teiseks a protsesside seeria mis hõlmavad neutriinosid ja antineutriinosid. Universumi jahtudes need protsessid peatusid ja Määrati prootonite ja neutronite suhe.

Teoreetiliste füüsikutena saame luua mudeleid, et testida, kuidas prootonite ja neutronite suhe sõltub neutriinode ja antineutriinode suhtelisest arvust varases universumis. Kui neutriinosid oli rohkem, siis näitavad meie mudelid rohkem prootoneid ja selle tulemusena oleks vähem neutroneid.

Universumi jahtudes vesinik, heelium ja muud elemendid moodustuvad nendest prootonitest ja neutronitest. Heelium koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist ning vesinik on vaid üks prooton ja neutroneid pole. Nii et mida vähem neutroneid varases universumis oli, seda vähem heeliumi tekiks.

Kuna tuumad tekkisid Suure Paugu nukleosünteesi käigus on võimalik jälgida ka tänapäeval, saavad teadlased järeldada, kui palju neutriinosid ja antineutriinosid esines varajases universumis. Nad teevad seda, vaadates konkreetselt galaktikaid, mis on rikkad kergete elementide, nagu vesinik ja heelium, poolest.

Diagramm, mis näitab, kuidas prootonid ja neutronid moodustavad heeliumi aatomeid. — Suure energiaga osakeste kokkupõrgetes tekivad varajases universumis sellised elemendid nagu heelium. Siin tähistab D deuteeriumi, ühe prootoni ja ühe neutroniga vesiniku isotoopi ning γ footoneid ehk valgusosakesi. Näidatud ahelreaktsioonide seerias sulanduvad prootonid ja neutronid, moodustades deuteeriumi, seejärel sulanduvad need deuteeriumi tuumad heeliumi tuumadeks. Pildi krediit: Anne-Katherine Burns

Vihje heeliumist

Eelmisel aastal avaldas Subaru teleskoobi kallal töötav Jaapani teadlaste rühm Subaru Collaboration andmeid 10 galaktikat kaugel meie omadest, mis koosnevad peaaegu eranditult vesinikust ja heeliumist.

Kasutades tehnikat, mis võimaldab teadlastel eristada erinevaid elemente üksteisest valguse lainepikkuste põhjal Teleskoobis jälgides tegid Subaru teadlased täpselt kindlaks, kui palju heeliumi on igas neist 10 galaktikast. Oluline on see, et nad leidsid vähem heeliumi, kui varem aktsepteeritud teooria ennustas.

Selle uue tulemusega töötasime koos kolleegidega tagasi, et leida neutriinode ja antineutriinode arv vajalik andmetes leiduva heeliumi arvukuse saamiseks. Mõelge oma üheksanda klassi matemaatikatunnile, kui teil paluti võrrandis lahendada "X". See, mida minu meeskond tegi, oli sisuliselt selle keerukam versioon, kus meie “X” oli neutriinode või antineutriinode arv.

Varem aktsepteeritud teooria ennustas, et varases universumis peaks olema sama palju neutriinosid ja antineutriinosid. Kuid kui me seda teooriat kohandasime, et anda meile ennustus, mis ühtib uue andmekogumiga, leidsime selle neutriinode arv oli suurem kui antineutriinode arv.

Mida see kõik tähendab?

Uute heeliumirikaste galaktikate andmete analüüsil on kaugeleulatuvad tagajärjed – seda saab kasutada mateeria ja antiaine vahelise asümmeetria selgitamiseks. Subaru andmed viitavad meile otse selle tasakaalustamatuse allikale: neutriinodele. Selles uuringus tõestasime minu kaastöötajatega, et see uus heeliumi mõõtmine on kooskõlas sellega, et varases universumis oli rohkem neutriinosid kui antineutriinosid. Läbi teadaolevad ja tõenäolised osakeste füüsika protsessid, võib neutriinode asümmeetria levida asümmeetriaks kogu aines.

Meie uuringu tulemus on teoreetilise füüsika maailmas levinud tulemus. Põhimõtteliselt avastasime elujõulise viisi, kuidas aine-antiaine asümmeetriat oleks saanud tekitada, kuid see ei tähenda, et see kindlasti sel viisil tekitati. Asjaolu, et andmed sobivad meie teooriaga, on vihje sellele, et meie pakutud teooria võib olla õige, kuid see fakt üksi ei tähenda, et see nii on.

Niisiis, kas need väikesed neutriinod on võti, et vastata igivanale küsimusele: "Miks midagi eksisteerib?" Selle uue uuringu kohaselt võivad nad lihtsalt olla.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Image Credit: NASA