Misurare l'elio nelle galassie lontane può dare ai fisici informazioni sul perché esiste l'Universo

Ripubblicato da Platone

Seguaci: 0

Quando i fisici teorici come me dicono che stiamo studiando il motivo per cui esiste l'universo, sembriamo filosofi. Ma nuovi dati raccolti dai ricercatori utilizzano quelli giapponesi Telescopio Subaru ha rivelato spunti proprio su quella questione.

Il big Bang dato il via all'universo come lo conosciamo 13.8 miliardi di anni fa. Molte teorie nella fisica delle particelle suggeriscono che per tutta la materia creata al momento della concezione dell'universo, insieme ad essa avrebbe dovuto essere creata una uguale quantità di antimateria. L'antimateria, come la materia, ha massa e occupa spazio. Tuttavia, le particelle di antimateria mostrano proprietà opposte delle particelle di materia corrispondenti.

Quando pezzi di materia e antimateria si scontrano, loro si annientano a vicenda in una potente esplosione, lasciando dietro di sé solo energia. La cosa sconcertante delle teorie che prevedono la creazione di un equilibrio uguale tra materia e antimateria è che se fossero vere, le due si sarebbero completamente annientate a vicenda, lasciando l’universo vuoto. Quindi deve esserci stata più materia che antimateria alla nascita dell'universo, perché l'universo non è vuoto; è pieno di cose fatte di materia, come galassie, stelle e pianeti. Un po' di antimateria esiste intorno a noi, ma è molto raro.

Come un fisico che lavora sui dati Subaru, Mi interessa questo cosiddetto problema dell’asimmetria materia-antimateria. Nel nostro recente studio, io e i miei collaboratori abbiamo scoperto che la nuova misurazione del telescopio della quantità e del tipo di elio nelle galassie lontane può offrire una soluzione a questo mistero di vecchia data.

Dopo il Big Bang

Nei primi millisecondi dopo il Big Bang, l’universo era caldo, denso e pieno di particelle elementari come protoni, neutroni ed elettroni nuotare in un plasma. Erano presenti anche in questo pool di particelle neutrini, che sono particelle molto piccole che interagiscono debolmente, e gli antineutrini, le loro controparti di antimateria.

I fisici ritengono che appena un secondo dopo il Big Bang, i nuclei di luce elementi come l'idrogeno e l'elio cominciò a formarsi. Questo processo è noto come Nucleosintesi del Big Bang. I nuclei formati erano circa 75% nuclei di idrogeno e 24% nuclei di elio, più piccole quantità di nuclei più pesanti.

Quella della comunità dei fisici teoria più ampiamente accettata sulla formazione di questi nuclei ci dice che i neutrini e gli antineutrini hanno avuto un ruolo fondamentale nella creazione dei nuclei di elio, in particolare.

La creazione dell'elio nell'universo primordiale è avvenuta in un processo in due fasi. Innanzitutto, neutroni e protoni si sono convertiti l'uno nell'altro in a serie di processi che coinvolgono neutrini e antineutrini. Quando l'universo si raffreddò, questi processi si fermarono e il è stato stabilito il rapporto tra protoni e neutroni.

Come fisici teorici, possiamo creare modelli per testare come il rapporto tra protoni e neutroni dipenda dal numero relativo di neutrini e antineutrini nell’universo primordiale. Se erano presenti più neutrini, allora i nostri modelli mostrano che di conseguenza esisterebbero più protoni e meno neutroni.

Mentre l'universo si raffreddava, idrogeno, elio e altri elementi formato da questi protoni e neutroni. L'elio è formato da due protoni e due neutroni, mentre l'idrogeno è formato da un solo protone e nessun neutrone. Quindi meno neutroni sarebbero disponibili nell’universo primordiale, meno elio verrebbe prodotto.

Perché i nuclei si sono formati durante la nucleosintesi del Big Bang può essere osservato ancora oggi, gli scienziati possono dedurre quanti neutrini e antineutrini fossero presenti durante l'universo primordiale. Lo fanno esaminando specificamente le galassie ricche di elementi leggeri come idrogeno ed elio.

Un diagramma che mostra come protoni e neutroni formano atomi di elio. — In una serie di collisioni di particelle ad alta energia, nell'universo primordiale si formano elementi come l'elio. Qui D sta per deuterio, un isotopo dell'idrogeno con un protone e un neutrone, e γ sta per fotoni o particelle leggere. Nella serie di reazioni a catena mostrate, protoni e neutroni si fondono per formare deuterio, quindi questi nuclei di deuterio si fondono per formare nuclei di elio. Credito immagine: Anne-Katherine Burns

Un indizio nell'elio

L'anno scorso, la Collaborazione Subaru, un gruppo di scienziati giapponesi che lavorano sul telescopio Subaru, ha pubblicato dati sull'argomento 10 galassie molto al di fuori del nostro e che sono costituiti quasi esclusivamente da idrogeno ed elio.

Utilizzando una tecnica che consente ai ricercatori di distinguere diversi elementi l'uno dall'altro in base alle lunghezze d'onda della luce osservato al telescopio, gli scienziati Subaru hanno determinato esattamente la quantità di elio presente in ciascuna di queste 10 galassie. È importante sottolineare che hanno trovato meno elio di quanto previsto dalla teoria precedentemente accettata.

Con questo nuovo risultato, io e i miei collaboratori abbiamo lavorato a ritroso per trovare il numero di neutrini e antineutrini necessario per produrre l'abbondanza di elio riscontrata nei dati. Ripensa alla tua lezione di matematica in prima media, quando ti è stato chiesto di risolvere la "X" in un'equazione. Ciò che ha fatto il mio team è stata essenzialmente la versione più sofisticata, dove la nostra “X” era il numero di neutrini o antineutrini.

La teoria precedentemente accettata prevedeva che nell’universo primordiale dovesse esserci lo stesso numero di neutrini e antineutrini. Tuttavia, quando abbiamo modificato questa teoria per fornirci una previsione che corrispondesse al nuovo set di dati, l'abbiamo trovato il numero dei neutrini era maggiore del numero degli antineutrini.

Che cosa significa tutto questo?

Questa analisi dei dati delle nuove galassie ricche di elio ha conseguenze di vasta portata: può essere utilizzata per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria. I dati Subaru ci indicano direttamente la fonte di questo squilibrio: i neutrini. In questo studio, io e i miei collaboratori abbiamo dimostrato che questa nuova misurazione dell’elio è coerente con la presenza di più neutrini che antineutrini nell’universo primordiale. Attraverso processi noti e probabili della fisica delle particelle, l'asimmetria nei neutrini potrebbe propagarsi in un'asimmetria in tutta la materia.

Il risultato del nostro studio è un tipo di risultato comune nel mondo della fisica teorica. Fondamentalmente, abbiamo scoperto un modo praticabile in cui l'asimmetria materia-antimateria avrebbe potuto essere prodotta, ma ciò non significa che sia stata sicuramente prodotta in quel modo. Il fatto che i dati corrispondano alla nostra teoria è un indizio che la teoria che abbiamo proposto potrebbe essere quella corretta, ma questo fatto da solo non significa che lo sia.

Quindi, questi minuscoli neutrini sono la chiave per rispondere all’annosa domanda: “Perché esiste qualcosa?” Secondo questa nuova ricerca, potrebbero proprio esserlo.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: NASA