מדידת הליום בגלקסיות רחוקות עשויה לתת לפיסיקאים תובנה מדוע היקום קיים

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

כשפיזיקאים תיאורטיים כמוני אומרים שאנחנו חוקרים מדוע היקום קיים, אנחנו נשמעים כמו פילוסופים. אבל נתונים חדשים שנאספו על ידי חוקרים באמצעות זה של יפן טלסקופ סובארו חשף תובנות לגבי השאלה הזו בדיוק.

המפץ הגדול הניע את היקום כפי שאנו מכירים אותו לפני 13.8 מיליארד שנים. תיאוריות רבות בפיזיקה של החלקיקים מציעים שעם כל החומר שנוצר בעת התפיסה של היקום, כמות שווה של אנטי-חומר הייתה צריכה להיווצר לצדו. לאנטי-חומר, כמו לחומר, יש מסה ותופס מקום. עם זאת, חלקיקי אנטי-חומר מציגים את התכונות ההפוכות של חלקיקי החומר המקבילים להם.

כאשר פיסות חומר ואנטי חומר מתנגשות, הן להשמיד אחד את השני בפיצוץ חזק, משאירים מאחור רק אנרגיה. הדבר התמוה בתיאוריות המנבאות יצירת איזון שווה בין חומר ואנטי-חומר הוא שאילו היו נכונות, השתיים היו מחסלות זו את זו לחלוטין, ומשאירות את היקום ריק. אז כנראה שהיה יותר חומר מאנטי-חומר בלידת היקום, כי היקום אינו ריק; הוא מלא בדברים העשויים מחומר, כמו גלקסיות, כוכבים וכוכבי לכת. קצת אנטי-חומר קיים סביבנו, אבל זה נדיר מאוד.

בְּתוֹר פיזיקאי שעובד על נתוני סובארו, אני מתעניין במה שנקרא בעיית אסימטריה של חומר אנטי-חומר. בשלנו מחקר שנערך לאחרונה, משתפי הפעולה ואני גילינו שהמדידה החדשה של הטלסקופ של כמות וסוג ההליום בגלקסיות רחוקות עשויה להציע פתרון לתעלומה ארוכת השנים הזו.

אחרי המפץ הגדול

באלפי השניות הראשונות לאחר המפץ הגדול, היקום היה חם, צפוף ומלא בחלקיקים יסודיים כמו פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים שוחה מסביב בפלזמה. נוכחים גם במאגר זה של חלקיקים היו נויטרינו, שהם חלקיקים זעירים מאוד, בעלי אינטראקציה חלשה, ואנטי-נייטרינו, מקביליהם האנטי-חומריים.

פיזיקאים מאמינים ששנייה אחת בלבד לאחר המפץ הגדול, גרעיני האור יסודות כמו מימן והליום התחיל להיווצר. תהליך זה ידוע בשם נוקלאוסינתזה של המפץ הגדול. הגרעינים שנוצרו היו בערך 75 אחוז גרעיני מימן ו-24 אחוז גרעיני הליום, בתוספת כמויות קטנות של גרעינים כבדים יותר.

של קהילת הפיזיקה התיאוריה המקובלת ביותר על היווצרות הגרעינים הללו אומר לנו שניטרינו ואנטי-נויטרינו מילאו תפקיד בסיסי ביצירת גרעיני הליום, במיוחד.

יצירת הליום ביקום המוקדם התרחשה בתהליך בן שני שלבים. ראשית, נויטרונים ופרוטונים מומרים מאחד לשני ב-a סדרה של תהליכים מעורבים ניטרינו ואנטי-נייטרינו. כשהיקום התקרר, התהליכים הללו נעצרו וה נקבע היחס בין פרוטונים לנייטרונים.

כפיזיקאים תיאורטיים, אנו יכולים ליצור מודלים כדי לבדוק כיצד היחס בין פרוטונים לנייטרונים תלוי במספר היחסי של ניטרינו ואנטי-נייטרינים ביקום המוקדם. אם יותר ניטרינו נכחו, אז המודלים שלנו מראים יותר פרוטונים ופחות נויטרונים יהיו קיימים כתוצאה מכך.

כשהיקום התקרר, מימן, הליום ואלמנטים אחרים נוצרו מהפרוטונים והנייטרונים הללו. הליום מורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים, ומימן הוא רק פרוטון אחד וללא נויטרונים. אז ככל שפחות הנייטרונים הזמינים ביקום המוקדם, כך יווצר פחות הליום.

כי הגרעינים נוצרו במהלך נוקלאוסינתזה של המפץ הגדול ניתן לראות עד היום, מדענים יכולים להסיק כמה ניטרינו ואנטי-נייטרינו היו נוכחים במהלך היקום המוקדם. הם עושים זאת על ידי התבוננות ספציפית בגלקסיות העשירות ביסודות קלים כמו מימן והליום.

תרשים המראה כיצד פרוטונים וניטרונים יוצרים אטומי הליום. — בסדרה של התנגשויות חלקיקים באנרגיה גבוהה, יסודות כמו הליום נוצרים ביקום המוקדם. כאן, D מייצג דיוטריום, איזוטופ של מימן עם פרוטון אחד ונייטרון אחד, ו- γ מייצג פוטונים, או חלקיקי אור. בסדרת תגובות השרשרת המוצגות, פרוטונים וניטרונים מתמזגים ליצירת דאוטריום, ואז גרעיני הדאוטריום הללו מתמזגים ויוצרים גרעיני הליום. קרדיט תמונה: אן-קת'רין ברנס

רמז בהליום

בשנה שעברה, שיתוף הפעולה של סובארו - קבוצה של מדענים יפנים שעבדו על טלסקופ סובארו - פרסמו נתונים על 10 גלקסיות הרחק מחוץ לשלנו המורכבים כמעט אך ורק ממימן והליום.

שימוש בטכניקה המאפשרת לחוקרים להבחין בין אלמנטים שונים זה מזה מבוסס על אורכי הגל של האור שנצפו בטלסקופ, מדעני סובארו קבעו בדיוק כמה הליום קיים בכל אחת מ-10 הגלקסיות הללו. חשוב לציין, הם מצאו פחות הליום ממה שחזתה התיאוריה המקובלת בעבר.

עם התוצאה החדשה הזו, משתפי הפעולה שלי ואני עבדנו אחורה כדי למצוא את מספר ניטרינו ואנטי-נייטרינו הכרחי כדי לייצר את שפע ההליום שנמצא בנתונים. חישבו על שיעור המתמטיקה שלכם בכיתה ט', כאשר התבקשתם לפתור עבור "X" במשוואה. מה שהצוות שלי עשה היה בעצם הגרסה המתוחכמת יותר של זה, שבה ה-"X" שלנו היה מספר הנייטרינו או האנטי-נייטרינו.

התיאוריה שהייתה מקובלת בעבר חזתה שצריך להיות אותו מספר של ניטרינו ואנטי-נייטרינו ביקום המוקדם. עם זאת, כאשר שיפצנו את התיאוריה הזו כדי לתת לנו תחזית שתואמת את מערך הנתונים החדש, מצאנו את זה מספר הנייטרינו היה גדול ממספר האנטי-נייטרינו.

מה כל זה אומר?

לניתוח זה של נתוני גלקסיות חדשים עתירי הליום יש השלכה מרחיקת לכת - ניתן להשתמש בו כדי להסביר את הא-סימטריה בין חומר ואנטי-חומר. נתוני סובארו מפנים אותנו ישירות למקור לחוסר האיזון הזה: נויטרינו. במחקר הזה, משתפי הפעולה שלי ואני הוכחנו שהמדידה החדשה הזו של הליום עולה בקנה אחד עם קיומם של יותר נויטרינו מאשר אנטי-נייטרינו ביקום המוקדם. דרך תהליכי פיזיקת חלקיקים ידועים וסבירים, האסימטריה בניטרינו יכולה להתפשט לאסימטריה בכל החומר.

התוצאה של המחקר שלנו היא סוג נפוץ של תוצאות בעולם הפיזיקה התיאורטית. בעיקרון, גילינו דרך קיימא שבה ניתן היה לייצר את אסימטריית החומר-אנטי-חומר, אבל זה לא אומר שהיא בהחלט הופקה בצורה כזו. העובדה שהנתונים מתאימים לתיאוריה שלנו היא רמז לכך שהתאוריה שהצענו עשויה להיות הנכונה, אבל העובדה הזו לבדה לא אומרת שכן.

אז האם הנייטרינים הקטנטנים האלה הם המפתח לתשובה לשאלה עתיקת היומין, "מדוע משהו קיים?" לפי מחקר חדש זה, הם פשוט עשויים להיות.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

תמונת אשראי: נאס"א