遠方の銀河のヘリウムを測定すると、宇宙が存在する理由について物理学者に洞察が得られる可能性がある

プラトン再発行

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私のような理論物理学者が、宇宙が存在する理由を研究していると言うと、まるで哲学者のように聞こえます。しかし、研究者が日本のデータを使って収集した新しいデータは、すばる望遠鏡まさにその疑問に対する洞察を明らかにしました。

ビッグバン宇宙を始動させた私たちが知っているように、13.8億年前。多くの理論素粒子物理学では、宇宙の構想時に作成されたすべての物質について、同量の反物質が一緒に作成されるはずであると示唆しています。反物質は物質と同様に質量を持ち、空間を占有します。ただし、反物質粒子は、対応する物質粒子とは反対の特性を示します。

物質と反物質が衝突すると、強力な爆発でお互いを殲滅する、エネルギーだけが残ります。物質と反物質の等しいバランスの生成を予測する理論の不可解な点は、それらが真実であれば、XNUMX つは互いに完全に消滅し、宇宙が空になるということです。したがって、宇宙は空ではないので、宇宙の誕生時には反物質よりも多くの物質が存在したに違いありません。銀河、星、惑星など、物質でできたものがたくさんあります。反物質が少しだけ私たちの周りに存在します、しかしそれは非常にまれです。

としてすばるのデータを研究する物理学者、いわゆるこれに興味があります物質と反物質の非対称性問題。当社における最近の研究の共同研究者と私は、遠方の銀河にあるヘリウムの量と種類をこの望遠鏡で新たに測定することで、この長年の謎に解決策をもたらす可能性があることを発見しました。

ビッグバンの後

ビッグバン後の最初の数ミリ秒では、宇宙は熱く、高密度で、陽子、中性子、電子などの素粒子でいっぱいでした。プラズマの中を泳ぎ回る。この粒子プールには次のものも存在しました。ニュートリノ非常に小さく相互作用の弱い粒子である反ニュートリノと、それらの反物質に対応する粒子です。

物理学者は、ビッグバンのわずか XNUMX 秒後に光の原子核が誕生すると信じています。水素などの元素そしてヘリウムが生成し始めました。このプロセスは次のように知られていますビッグバン元素合成。形成された核は約 75パーセントが水素原子核、24パーセントがヘリウム原子核、さらに少量のより重い核。

物理学コミュニティの最も広く受け入れられている理論これらの原子核の形成に関する研究は、ニュートリノと反ニュートリノが、特にヘリウム原子核の生成に基本的な役割を果たしたことを示しています。

宇宙初期におけるヘリウムの生成は XNUMX 段階のプロセスで起こりました。まず、中性子と陽子が一方から他方に変換されます。一連のプロセスニュートリノと反ニュートリノが関係します。宇宙が冷えるにつれて、これらのプロセスは停止し、陽子と中性子の比率が設定されました.

理論物理学者として、私たちは陽子と中性子の比率が初期宇宙におけるニュートリノと反ニュートリノの相対数にどのように依存するかをテストするモデルを作成できます。もしより多くのニュートリノが存在したの場合、モデルでは、結果として存在する陽子が増え、中性子が少なくなることが示されます。

宇宙が冷えると、水素、ヘリウム、その他の元素がこれらの陽子と中性子から形成される。ヘリウムは陽子XNUMX個と中性子XNUMX個で構成されていますが、水素は陽子XNUMX個だけで中性子はありません。したがって、初期の宇宙で利用可能な中性子が少なければ少ないほど、生成されるヘリウムも少なくなるでしょう。

核はビッグバン元素合成中に形成されたため現在でも観察できる、科学者は宇宙初期にどれだけのニュートリノと反ニュートリノが存在したかを推測することができます。彼らは、水素やヘリウムなどの軽元素が豊富な銀河を特に調べることによってこれを行っています。

陽子と中性子がどのようにヘリウム原子を形成するかを示す図。 — 一連の高エネルギー粒子衝突により、初期宇宙ではヘリウムなどの元素が形成されます。ここで、D は、陽子 XNUMX つと中性子 XNUMX つからなる水素の同位体である重水素を表し、γ は光子、または軽い粒子を表します。示されている一連の連鎖反応では、陽子と中性子が融合して重水素を形成し、次にこれらの重水素原子核が融合してヘリウム原子核を形成します。画像クレジット: アン・キャサリン・バーンズ

ヘリウムの手がかり

昨年、すばる望遠鏡に取り組んでいる日本の科学者のグループであるすばるコラボレーションが、 10個の銀河ほとんど水素とヘリウムだけで構成されている、私たちの地球のはるか外側にあるものです。

研究者がさまざまな元素を互いに区別できるようにする手法を使用する光の波長に基づいてすばるの科学者たちは望遠鏡で観察した結果、これら 10 個の銀河のそれぞれにどれだけのヘリウムが存在するかを正確に決定しました。重要なのは、以前に受け入れられていた理論の予測よりも少ないヘリウムが発見されたことです。

この新しい結果を受けて、共同研究者と私は逆算して、ニュートリノと反ニュートリノの数データにあるヘリウムの存在量を生成するために必要です。方程式の「X」を解くように求められた XNUMX 年生の数学の授業を思い出してください。私のチームが行ったのは本質的にそのより洗練されたバージョンであり、「X」はニュートリノまたは反ニュートリノの数でした。

以前に受け入れられていた理論では、初期宇宙には同数のニュートリノと反ニュートリノが存在するはずだと予測されていました。しかし、新しいデータセットと一致する予測を得るためにこの理論を微調整すると、我々はそれを見つけたニュートリノの数は反ニュートリノの数よりも多かった。

これは、すべて何を意味していますか？

ヘリウムを豊富に含む新しい銀河データのこの分析は、広範囲にわたる結果をもたらします。それは物質と反物質の間の非対称性を説明するために使用できます。すばるのデータは、その不均衡の原因であるニュートリノを直接示しています。この研究で、共同研究者と私は、このヘリウムの新しい測定結果が、初期宇宙には反ニュートリノよりも多くのニュートリノが存在することと一致していることを証明しました。を通して既知かつ可能性の高い素粒子物理プロセスニュートリノの非対称性は、あらゆる物質の非対称性に伝播する可能性があります。

私たちの研究の結果は、理論物理学の世界では一般的なタイプの結果です。基本的に、私たちは物質と反物質の非対称性が生成される可能性のある実行可能な方法を発見しましたが、それがその方法で確実に生成されたことを意味するわけではありません。データが私たちの理論と一致するという事実は、私たちが提案した理論が正しいかもしれないというヒントになりますが、この事実だけで正しいとは限りません。

では、これらの小さなニュートリノは、「なぜ何かが存在するのか?」という古くからの疑問に答える鍵となるのでしょうか? この新しい研究によると、実際にそうなる可能性があります。

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画像のクレジット：米航空宇宙局（NASA）