A hélium mérése távoli galaxisokban betekintést nyújthat a fizikusok számára az Univerzum létezésébe

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Amikor a hozzám hasonló elméleti fizikusok azt mondják, hogy azt tanulmányozzuk, miért létezik az univerzum, filozófusoknak tűnünk. De a kutatók által gyűjtött új adatok Japánból származnak Subaru teleszkóp pont ebbe a kérdésbe tárt felvilágosítást.

A nagy Bumm beindította az univerzumot ahogy ismerjük 13.8 milliárd évvel ezelőtt. Sok elmélet A részecskefizika azt sugallja, hogy az univerzum fogantatásakor létrejött összes anyaghoz azonos mennyiségű antianyagot kellett volna létrehozni mellette. Az antianyagnak, akárcsak az anyagnak, van tömege és helyet foglal. Az antianyag részecskék azonban ellentétes tulajdonságokat mutatnak, mint a megfelelő anyagrészecskék.

Amikor az anyag és az antianyag darabjai ütköznek, akkor megsemmisítik egymást egy erős robbanásban, csak energiát hagyva maga után. Az anyag és az antianyag egyenlő egyensúlyának megteremtését jósló elméletekben az a rejtélyes, hogy ha igazak lennének, a kettő teljesen megsemmisítette volna egymást, üresen hagyva az univerzumot. Tehát a világegyetem születésekor több anyagnak kellett lennie, mint antianyagnak, mert a világegyetem nem üres; tele van anyagból készült dolgokkal, például galaxisokkal, csillagokkal és bolygókkal. Egy kis antianyag létezik körülöttünk, de nagyon ritka.

Ennek Subaru adatokon dolgozó fizikus, érdekel ez az ún anyag-antianyag aszimmetria probléma. Miénkben nemrégiben készült tanulmány, munkatársaimmal azt találtuk, hogy a távoli galaxisokban lévő hélium mennyiségének és típusának távcsővel végzett új mérése megoldást kínálhat erre a régóta fennálló rejtélyre.

Az ősrobbanás után

Az ősrobbanás utáni első ezredmásodpercekben az univerzum forró, sűrű volt, és tele volt elemi részecskékkel, például protonokkal, neutronokkal és elektronokkal. úszni egy plazmában. Szintén jelen voltak ebben a készletben a részecskék voltak neutrínók, amelyek nagyon apró, gyengén kölcsönható részecskék, és antineutrínók, antianyag megfelelőik.

A fizikusok úgy vélik, hogy csak egy másodperccel az Ősrobbanás után a fénymagok olyan elemek, mint a hidrogén és hélium kezdett képződni. Ez a folyamat az úgynevezett Ősrobbanás nukleoszintézis. A kialakult magok kb 75 százalék hidrogén- és 24 százalék héliummag, plusz kis mennyiségű nehezebb mag.

A fizikus közösségé legszélesebb körben elfogadott elmélet Ezeknek az atommagoknak a kialakulásáról elmondható, hogy a neutrínók és az antineutrínók alapvető szerepet játszottak a héliummagok létrejöttében.

A hélium létrehozása a korai univerzumban kétlépéses folyamatban történt. Először is a neutronok és protonok egyikből a másikba alakultak át a folyamatok sorozata neutrínók és antineutrínók bevonásával. Ahogy az univerzum lehűlt, ezek a folyamatok leálltak és a beállították a protonok és a neutronok arányát.

Elméleti fizikusokként modelleket készíthetünk annak tesztelésére, hogy a protonok és neutronok aránya hogyan függ a neutrínók és antineutrínók relatív számától a korai univerzumban. Ha több neutrínó volt jelen, akkor modelljeink több protont mutatnak, és ennek eredményeként kevesebb neutron létezne.

Ahogy az univerzum lehűlt, a hidrogén, a hélium és más elemek ezekből a protonokból és neutronokból képződik. A hélium két protonból és két neutronból áll, a hidrogén pedig csak egy protonból áll, neutronok nélkül. Tehát minél kevesebb neutron áll rendelkezésre a korai univerzumban, annál kevesebb hélium keletkezne.

Mivel az ősrobbanás során keletkezett magok a nukleoszintézis során ma is megfigyelhető, a tudósok arra következtethetnek, hogy hány neutrínó és antineutrínó volt jelen a korai univerzumban. Ezt úgy teszik, hogy kifejezetten olyan galaxisokat vizsgálnak, amelyek gazdagok olyan könnyű elemekben, mint a hidrogén és a hélium.

Egy diagram, amely bemutatja, hogyan alkotnak protonok és neutronok hélium atomokat. — A nagyenergiájú részecskék ütközésének sorozatában olyan elemek keletkeznek a korai univerzumban, mint a hélium. Itt a D a deutériumot, a hidrogén egy protont és egy neutront tartalmazó izotópját jelenti, a γ pedig a fotonokat vagy könnyű részecskéket. A bemutatott láncreakciók sorozatában protonok és neutronok olvadnak össze deutériumot képezve, majd ezek a deutériummagok egyesülnek héliummagokká. A kép forrása: Anne-Katherine Burns

Nyom a héliumban

Tavaly a Subaru Collaboration – a Subaru teleszkópon dolgozó japán tudósok egy csoportja – kiadott adatokat 10 galaxis messze a sajátunkon kívül, amelyek szinte kizárólag hidrogénből és héliumból állnak.

Olyan technikával, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy megkülönböztessék a különböző elemeket egymástól a fény hullámhosszai alapján A távcsőben megfigyelt Subaru tudósok pontosan meghatározták, hogy mennyi hélium van mind a 10 galaxisban. Fontos, hogy kevesebb héliumot találtak, mint amennyit a korábban elfogadott elmélet megjósolt.

Ezzel az új eredménnyel munkatársaimmal visszafelé dolgoztunk, hogy megtaláljuk a neutrínók és antineutrínók száma szükséges az adatokban található héliumbőség előállításához. Gondolj vissza a kilencedik osztályos matematikaórádra, amikor arra kérték, hogy oldd meg az „X”-et egy egyenletben. A csapatom lényegében ennek a kifinomultabb változata volt, ahol az „X” a neutrínók vagy antineutrínók száma volt.

A korábban elfogadott elmélet azt jósolta, hogy a korai univerzumban ugyanannyi neutrínónak és antineutrínónak kell lennie. Amikor azonban módosítottuk ezt az elméletet, hogy olyan előrejelzést adjunk, amely megfelel az új adatkészletnek, azt találtuk a neutrínók száma nagyobb volt, mint az antineutrínók száma.

Mit jelent ez az egész?

Az új, héliumban gazdag galaxisadatok elemzése messzemenő következményekkel jár – az anyag és az antianyag közötti aszimmetria magyarázatára használható. A Subaru adatai közvetlenül az egyensúlyhiány forrására mutatnak: a neutrínókra. Ebben a tanulmányban munkatársaimmal bebizonyítottuk, hogy ez az új héliummérés összhangban van azzal, hogy a korai univerzumban több neutrínó volt, mint antineutrínó. Keresztül ismert és valószínű részecskefizikai folyamatok, a neutrínók aszimmetriája minden anyag aszimmetriájává terjedhet.

Vizsgálatunk eredménye az elméleti fizika világában elterjedt eredménytípus. Alapvetően felfedeztünk egy életképes módot, amellyel az anyag-antianyag aszimmetria létrejött volna, de ez nem jelenti azt, hogy biztosan így jött létre. Az a tény, hogy az adatok illeszkednek az elméletünkhöz, arra utal, hogy az általunk javasolt elmélet lehet a helyes, de ez a tény önmagában nem jelenti azt, hogy az.

Tehát ezek az apró kis neutrínók a kulcsa annak az ősrégi kérdésnek a megválaszolásához: „Miért létezik bármi?” Az új kutatás szerint csak lehet.

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

Kép: NASA