먼 은하에서 헬륨을 측정하면 물리학자들에게 우주가 존재하는 이유에 대한 통찰력을 줄 수 있습니다

플라톤에 의해 재발행

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나 같은 이론물리학자들이 우리가 우주가 존재하는 이유를 연구하고 있다고 말할 때 우리는 마치 철학자처럼 들립니다. 그러나 연구원들이 일본의 것을 사용하여 수집한 새로운 데이터 스바루 망원경 바로 그 질문에 대한 통찰력을 공개했습니다.

빅뱅 우주를 시작했다 13.8억년 전에 우리가 알고 있듯이. 많은 이론 입자 물리학에서는 우주의 개념에서 생성된 모든 물질에 대해 동일한 양의 반물질이 그와 함께 생성되어야 한다고 제안합니다. 물질과 마찬가지로 반물질도 질량이 있고 공간을 차지합니다. 그러나 반물질 입자는 해당 물질 입자와 반대되는 특성을 나타냅니다.

물질 조각과 반물질이 충돌하면 강력한 폭발로 서로를 전멸시키다, 에너지 만 남깁니다. 물질과 반물질의 동등한 균형의 생성을 예측하는 이론에 대한 수수께끼는 그것이 사실이라면 두 물질이 서로를 완전히 소멸시켜 우주를 비워두었을 것이라는 점입니다. 따라서 우주가 비어 있지 않기 때문에 우주가 탄생할 때 반물질보다 물질이 더 많았을 것입니다. 그것은 은하, 별, 행성과 같은 물질로 만들어진 것들로 가득 차 있습니다. 약간의 반물질 우리 주변에 존재한다, 그러나 매우 드뭅니다.

으로 Subaru 데이터를 연구하는 물리학자, 나는이 소위에 관심이 있습니다 물질-반물질 비대칭 문제. 우리의 최근의 연구, 저와 동료들은 먼 은하에 있는 헬륨의 양과 유형에 대한 망원경의 새로운 측정이 이 오랜 미스터리에 대한 해결책을 제공할 수 있음을 발견했습니다.

빅뱅 이후

빅뱅 후 처음 XNUMX분의 XNUMX초 동안 우주는 뜨겁고 밀도가 높았으며 양성자, 중성자, 전자와 같은 기본 입자로 가득 차 있었습니다. 플라스마 속을 헤엄치다. 또한 이 입자 풀에 존재하는 중성미자, 매우 작고 약하게 상호 작용하는 입자 및 반물질 대응 물인 반 중성미자.

물리학자들은 빅뱅 후 단 XNUMX초 만에 빛의 핵이 수소와 같은 원소 헬륨이 형성되기 시작했습니다. 이 프로세스는 빅뱅 핵합성. 형성된 핵은 대략 75%의 수소 핵과 24%의 헬륨 핵, 소량의 더 무거운 핵.

물리학계의 가장 널리 받아들여지는 이론 이러한 핵 형성에 대한 연구는 중성미자와 반중성미자가 특히 헬륨 핵 생성에 근본적인 역할을 했다는 것을 알려줍니다.

초기 우주에서 헬륨 생성은 XNUMX단계 과정으로 이루어졌습니다. 첫째, 중성자와 양성자는 서로 변환된다. 일련의 과정 중성미자와 반중성미자를 포함합니다. 우주가 식으면서 이러한 과정이 멈추고 양성자 대 중성자의 비율이 설정되었습니다..

이론 물리학자로서 우리는 양성자 대 중성자의 비율이 초기 우주에서 중성미자와 반중성미자의 상대적인 수에 어떻게 의존하는지 테스트하기 위한 모델을 만들 수 있습니다. 만약에 더 많은 중성미자가 존재했습니다, 우리 모델은 결과적으로 더 많은 양성자와 더 적은 중성자가 존재한다는 것을 보여줍니다.

우주가 냉각됨에 따라 수소, 헬륨 및 기타 원소 이 양성자와 중성자로 구성. 헬륨은 양성자 XNUMX개와 중성자 XNUMX개로 구성되어 있고 수소는 양성자 XNUMX개로 중성자가 없습니다. 따라서 초기 우주에서 사용 가능한 중성자가 적을수록 헬륨이 적게 생성됩니다.

빅뱅 핵합성 과정에서 핵이 형성되었기 때문이다. 오늘날에도 여전히 관찰 가능, 과학자들은 초기 우주 동안 얼마나 많은 중성미자와 반중성미자가 존재했는지 추론할 수 있습니다. 그들은 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소가 풍부한 은하계를 구체적으로 관찰함으로써 이를 수행합니다.

양성자와 중성자가 어떻게 헬륨 원자를 형성하는지 보여주는 도표. — 일련의 고에너지 입자 충돌에서 헬륨과 같은 원소가 초기 우주에서 형성됩니다. 여기서 D는 양성자 XNUMX개와 중성자 XNUMX개를 가진 수소의 동위원소인 중수소를 나타내고 γ는 광자 또는 가벼운 입자를 나타냅니다. 표시된 일련의 연쇄 반응에서 양성자와 중성자가 융합하여 중수소를 형성한 다음 이 중수소 핵이 융합하여 헬륨 핵을 형성합니다. 이미지 크레디트: Anne-Katherine Burns

헬륨의 단서

작년에 Subaru 망원경을 연구하는 일본 과학자 그룹인 Subaru Collaboration은 다음과 같은 데이터를 발표했습니다. 10개의 은하 거의 독점적으로 수소와 헬륨으로 구성된 우리의 것보다 멀리 떨어져 있습니다.

연구원이 서로 다른 요소를 구별할 수 있도록 하는 기술 사용 빛의 파장에 따라 망원경으로 관찰한 Subaru 과학자들은 이 10개의 은하 각각에 얼마나 많은 헬륨이 존재하는지 정확히 결정했습니다. 중요한 것은 그들이 이전에 받아들여졌던 이론이 예측했던 것보다 더 적은 양의 헬륨을 발견했다는 것입니다.

이 새로운 결과를 가지고 공동 작업자와 저는 거꾸로 작업하여 중성미자와 반중성미자의 수 데이터에서 발견되는 풍부한 헬륨을 생산하는 데 필요합니다. 방정식에서 "X"를 구하라는 요청을 받았을 때 XNUMX학년 수학 시간을 떠올려 보십시오. 우리 팀이 한 것은 본질적으로 그것의 더 정교한 버전이었습니다. 여기서 우리의 "X"는 중성미자 또는 반중성미자의 수였습니다.

이전에 받아들여진 이론은 초기 우주에서 동일한 수의 중성미자와 반중성미자가 있어야 한다고 예측했습니다. 그러나 이 이론을 조정하여 새로운 데이터 세트와 일치하는 예측을 제공했을 때, 우리는 그것을 발견했다. 뉴트리노의 수는 안티뉴트리노의 수보다 많았다.

그것은 무엇을 의미합니까?

새로운 헬륨이 풍부한 은하 데이터에 대한 이 분석은 광범위한 결과를 가져옵니다. 물질과 반물질 사이의 비대칭성을 설명하는 데 사용할 수 있습니다. Subaru 데이터는 이러한 불균형의 원인인 중성미자를 직접적으로 지적합니다. 이 연구에서 동료들과 나는 이 새로운 헬륨 측정이 초기 우주에서 반중성미자보다 중성미자가 더 많았다는 사실과 일치한다는 것을 증명했습니다. 을 통해 알려진 입자 물리학 프로세스, 중성미자의 비대칭은 모든 물질의 비대칭으로 전파될 수 있습니다.

우리 연구의 결과는 이론물리학계에서 흔히 볼 수 있는 유형의 결과이다. 기본적으로 우리는 물질-반물질 비대칭이 생성될 수 있는 실행 가능한 방법을 발견했지만 그것이 확실히 그런 방식으로 생성되었다는 의미는 아닙니다. 데이터가 우리의 이론과 일치한다는 사실은 우리가 제안한 이론이 옳을 수도 있다는 힌트이지만, 이 사실만으로는 옳다는 것을 의미하지 않습니다.

그래서, 이 작은 중성미자는 "무엇이 존재하는 이유는 무엇입니까?"라는 오래된 질문에 답하는 열쇠입니까? 이 새로운 연구에 따르면 그럴 수도 있습니다.

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이미지 신용 : NASA