Heliumin mittaaminen kaukaisissa galakseissa voi antaa fyysikoille käsityksen siitä, miksi maailmankaikkeus on olemassa

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Kun minun kaltaiset teoreettiset fyysikot sanovat, että tutkimme, miksi maailmankaikkeus on olemassa, kuulostamme filosofeilta. Mutta uusia tutkijoiden keräämiä tietoja käyttämällä Japanin Subaru-teleskooppi on paljastanut oivalluksia juuri tähän kysymykseen.

Alkuräjähdys sai universumin käyntiin sellaisena kuin me sen tunnemme 13.8 miljardia vuotta sitten. Monet teoriat hiukkasfysiikassa ehdotetaan, että kaiken maailmankaikkeuden syntyvaiheessa syntyneen aineen rinnalle olisi pitänyt luoda yhtä suuri määrä antiainetta. Antimaterialla, kuten aineella, on massa ja se vie tilaa. Antimateriaalihiukkasilla on kuitenkin päinvastaiset ominaisuudet kuin vastaavilla ainehiukkasilla.

Kun aineen ja antiaineen palaset törmäävät, ne tuhoavat toisensa voimakkaalla räjähdykselläjättäen jälkeensä vain energiaa. Hämmentävä asia teorioissa, jotka ennustavat aineen ja antiaineen tasa-arvoisen tasapainon luomista, on, että jos ne olisivat totta, ne kaksi olisivat tuhonneet toisensa täysin ja jättäneet universumin tyhjäksi. Joten universumin syntyessä on täytynyt olla enemmän ainetta kuin antimateriaa, koska universumi ei ole tyhjä; se on täynnä materiaa, kuten galakseja, tähtiä ja planeettoja. Vähän antimateriaa olemassa ympärillämme, mutta se on erittäin harvinaista.

Kuten Subaru-datan parissa työskentelevä fyysikko, Olen kiinnostunut tästä ns aine-antimateriaali epäsymmetriaongelma. Meidän Tuoreen tutkimuksen, yhteistyökumppanini ja minä huomasimme, että teleskoopin uusi mittaus kaukaisten galaksien heliumin määrästä ja tyypistä voi tarjota ratkaisun tähän pitkään jatkuneeseen mysteeriin.

Alkuräjähdyksen jälkeen

Alkuräjähdyksen jälkeisten ensimmäisten millisekuntien aikana maailmankaikkeus oli kuuma, tiheä ja täynnä alkuainehiukkasia, kuten protoneja, neutroneja ja elektroneja. uida plasmassa. Myös tässä poolissa hiukkasia oli neutriinot, jotka ovat hyvin pieniä, heikosti vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia, ja antineutriinoja, niiden antimateriaa.

Fyysikot uskovat, että vain yksi sekunti alkuräjähdyksen jälkeen, valon ytimet elementtejä kuten vety ja heliumia alkoi muodostua. Tämä prosessi tunnetaan nimellä Big Bang -nukleosynteesi. Muodostuneet ytimet olivat noin 75 prosenttia vetyytimiä ja 24 prosenttia heliumytimiäsekä pieniä määriä raskaampia ytimiä.

Fysiikkayhteisön yleisimmin hyväksytty teoria Näiden ytimien muodostumisesta kertoo, että neutriinoilla ja antineutriinoilla oli olennainen rooli erityisesti heliumytimien muodostumisessa.

Heliumin luominen varhaisessa universumissa tapahtui kaksivaiheisessa prosessissa. Ensinnäkin neutronit ja protonit muuttuivat toisesta a sarja prosesseja joihin liittyy neutriinoja ja antineutriinoja. Kun universumi jäähtyi, nämä prosessit pysähtyivät ja protonien ja neutronien suhde asetettiin.

Teoreettisina fyysikoina voimme luoda malleja testataksemme, kuinka protonien ja neutronien suhde riippuu neutriinojen ja antineutriinojen suhteellisesta määrästä varhaisessa universumissa. Jos neutriinoja oli enemmän, niin mallimme näyttävät enemmän protoneja ja sen seurauksena olisi vähemmän neutroneja.

Universumin jäähtyessä vety, helium ja muut alkuaineet muodostuu näistä protoneista ja neutroneista. Helium koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, ja vety on vain yksi protoni, ei neutroneja. Joten mitä vähemmän neutroneja oli saatavilla varhaisessa universumissa, sitä vähemmän heliumia muodostuisi.

Koska ytimet muodostuivat alkuräjähdyksen nukleosynteesin aikana voidaan havaita vielä tänäkin päivänä, tiedemiehet voivat päätellä, kuinka monta neutriinoa ja antineutrinoa oli olemassa varhaisen universumin aikana. He tekevät tämän tarkastelemalla erityisesti galakseja, joissa on runsaasti kevyitä alkuaineita, kuten vetyä ja heliumia.

Kaavio, joka näyttää kuinka protonit ja neutronit muodostavat heliumatomeja. — Sarjassa korkean energian hiukkasten törmäyksiä varhaisessa maailmankaikkeudessa muodostuu alkuaineita, kuten heliumia. Tässä D tarkoittaa deuteriumia, vedyn isotooppia, jossa on yksi protoni ja yksi neutroni, ja γ tarkoittaa fotoneja tai valohiukkasia. Esitetyssä ketjureaktioiden sarjassa protonit ja neutronit sulautuvat muodostaen deuteriumia, sitten nämä deuteriumytimet fuusioituvat muodostaen heliumytimiä. Kuvan luotto: Anne-Katherine Burns

Vihje heliumista

Viime vuonna Subaru Collaboration - ryhmä japanilaisia tutkijoita, jotka työskentelevät Subaru-teleskoopin parissa - julkaisi tietoja 10 galaksia kaukana omistamme, jotka koostuvat lähes yksinomaan vedystä ja heliumista.

Käyttämällä tekniikkaa, jonka avulla tutkijat voivat erottaa eri elementit toisistaan valon aallonpituuksien perusteella kaukoputkessa havaitut Subaru-tutkijat määrittelivät tarkalleen kuinka paljon heliumia on kussakin näistä 10 galaksista. Tärkeää on, että he löysivät vähemmän heliumia kuin aiemmin hyväksytty teoria ennusti.

Tämän uuden tuloksen myötä työkaverini ja minä työskentelimme taaksepäin löytääksemme neutriinojen ja antineutriinojen lukumäärä tarvitaan tiedoissa havaitun heliumin runsauden tuottamiseksi. Ajattele yhdeksännen luokan matematiikan luokkaasi, kun sinua pyydettiin ratkaisemaan "X" yhtälössä. Se, mitä tiimini teki, oli pohjimmiltaan siitä kehittyneempi versio, jossa "X" oli neutriinojen tai antineutriinojen lukumäärä.

Aikaisemmin hyväksytty teoria ennusti, että varhaisessa universumissa pitäisi olla sama määrä neutriinoja ja antineutriinoja. Kun kuitenkin muokkasimme tätä teoriaa antaaksemme meille ennusteen, joka vastasi uutta tietojoukkoa, löysimme sen neutriinojen määrä oli suurempi kuin antineutriinojen määrä.

Mitä se tarkoittaa?

Tällä uusien heliumia sisältävien galaksitietojen analyysillä on kauaskantoinen seuraus – sitä voidaan käyttää selittämään aineen ja antiaineen välistä epäsymmetriaa. Subaru-tiedot osoittavat meidät suoraan epätasapainon lähteeseen: neutriinoihin. Tässä tutkimuksessa yhteistyökumppanini ja minä osoitimme, että tämä uusi heliumin mittaus on yhdenmukainen sen kanssa, että varhaisessa universumissa on enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja. Kautta tunnetuista ja todennäköisistä hiukkasfysiikan prosesseista, neutriinojen epäsymmetria voisi levitä epäsymmetriaksi kaikessa aineessa.

Tutkimuksemme tulos on yleinen tulostyyppi teoreettisen fysiikan maailmassa. Pohjimmiltaan löysimme käyttökelpoisen tavan, jolla aine-antiaine-epäsymmetria olisi voitu tuottaa, mutta se ei tarkoita, että se olisi varmasti tuotettu tällä tavalla. Tietojen yhteensopivuus teoriamme kanssa on vihje siitä, että ehdottamamme teoria saattaa olla oikea, mutta tämä tosiasia ei yksin tarkoita sitä.

Joten ovatko nämä pienet neutriinot avain vastaamaan ikivanhaan kysymykseen: "Miksi mitään on olemassa?" Tämän uuden tutkimuksen mukaan ne voivat vain olla.

Tämä artikkeli julkaistaan uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuva pistetilanne: NASA