Å måle helium i fjerne galakser kan gi fysikere innsikt i hvorfor universet eksisterer

Publisert av Platon

Følgere: 0

Når teoretiske fysikere som meg selv sier at vi studerer hvorfor universet eksisterer, høres vi ut som filosofer. Men nye data samlet inn av forskere som bruker Japans Subaru teleskop har avslørt innsikt i akkurat det spørsmålet.

Det store smellet kickstartet universet slik vi kjenner det for 13.8 milliarder år siden. Mange teorier i partikkelfysikk antyder at for all materie som ble skapt ved universets unnfangelse, burde en like stor mengde antimaterie blitt skapt ved siden av den. Antimaterie, som materie, har masse og tar opp plass. Imidlertid viser antimateriepartikler de motsatte egenskapene til deres tilsvarende materiepartikler.

Når biter av materie og antimaterie kolliderer, de utslette hverandre i en kraftig eksplosjon, og etterlater bare energi. Det forvirrende med teorier som forutsier skapelsen av en lik balanse mellom materie og antimaterie, er at hvis de var sanne, ville de to ha utslettet hverandre totalt og etterlatt universet tomt. Så det må ha vært mer materie enn antimaterie ved universets fødsel, fordi universet ikke er tomt; den er full av ting som er laget av materie, som galakser, stjerner og planeter. Litt antimaterie finnes rundt oss, men det er veldig sjeldent.

Som en fysiker som jobber med Subaru-data, jeg er interessert i denne såkalte materie-antimaterie asymmetriproblem. I vår fersk undersøkelse, fant mine samarbeidspartnere og jeg ut at teleskopets nye måling av mengden og typen helium i fjerne galakser kan tilby en løsning på dette langvarige mysteriet.

Etter Big Bang

I de første millisekunder etter Big Bang var universet varmt, tett og fullt av elementære partikler som protoner, nøytroner og elektroner svømmer rundt i et plasma. Også tilstede i denne poolen av partikler var nøytrinoer, som er veldig små, svakt samvirkende partikler, og antinøytrinoer, deres antimaterie-motstykker.

Fysikere tror at bare ett sekund etter Big Bang, lyskjernene elementer som hydrogen og helium begynte å dannes. Denne prosessen er kjent som Big Bang nukleosyntese. Kjernene som ble dannet var ca 75 prosent hydrogenkjerner og 24 prosent heliumkjerner, pluss små mengder tyngre kjerner.

Fysikksamfunnets mest allment akseptert teori om dannelsen av disse kjernene forteller oss at nøytrinoer og antinøytrinoer spilte en grunnleggende rolle i dannelsen av heliumkjerner, spesielt.

Heliumskaping i det tidlige universet skjedde i en to-trinns prosess. Først konverterte nøytroner og protoner fra den ene til den andre i en rekke prosesser involverer nøytrinoer og antinøytrinoer. Etter hvert som universet ble avkjølt, stoppet disse prosessene og forholdet mellom protoner og nøytroner ble satt.

Som teoretiske fysikere kan vi lage modeller for å teste hvordan forholdet mellom protoner og nøytroner avhenger av det relative antallet nøytrinoer og antinøytrinoer i det tidlige universet. Hvis flere nøytrinoer var til stede, så viser modellene våre flere protoner og færre nøytroner ville eksistere som et resultat.

Etter hvert som universet ble avkjølt, ble hydrogen, helium og andre elementer dannet av disse protonene og nøytronene. Helium består av to protoner og to nøytroner, og hydrogen er bare ett proton og ingen nøytroner. Så jo færre nøytroner som er tilgjengelige i det tidlige universet, jo mindre helium ville det bli produsert.

Fordi kjernene ble dannet under Big Bang-nukleosyntesen kan fortsatt observeres i dag, kan forskere utlede hvor mange nøytrinoer og antinøytrinoer som var til stede under det tidlige universet. De gjør dette ved å se spesifikt på galakser som er rike på lette elementer som hydrogen og helium.

Et diagram som viser hvordan protoner og nøytroner danner heliumatomer. — I en serie høyenergipartikkelkollisjoner dannes elementer som helium i det tidlige universet. Her står D for deuterium, en isotop av hydrogen med ett proton og ett nøytron, og γ står for fotoner, eller lette partikler. I serien av kjedereaksjoner som vises, smelter protoner og nøytroner sammen for å danne deuterium, deretter smelter disse deuteriumkjernene sammen for å danne heliumkjerner. Bildekreditt: Anne-Katherine Burns

En ledetråd i helium

I fjor ga Subaru Collaboration – en gruppe japanske forskere som jobber med Subaru-teleskopet – ut data om 10 galakser langt utenfor våre egne som nesten utelukkende består av hydrogen og helium.

Bruke en teknikk som lar forskere skille ulike elementer fra hverandre basert på lysets bølgelengder observert i teleskopet, bestemte Subaru-forskerne nøyaktig hvor mye helium som finnes i hver av disse 10 galaksene. Viktigere, de fant mindre helium enn den tidligere aksepterte teorien spådde.

Med dette nye resultatet jobbet mine samarbeidspartnere og jeg bakover for å finne antall nøytrinoer og antinøytrinoer nødvendig for å produsere heliummengden som finnes i dataene. Tenk tilbake på matematikkklassen din i niende klasse da du ble bedt om å løse "X" i en ligning. Det teamet mitt gjorde var i hovedsak den mer sofistikerte versjonen av det, der vår "X" var antall nøytrinoer eller antinøytrinoer.

Den tidligere aksepterte teorien spådde at det skulle være like mange nøytrinoer og antinøytrinoer i det tidlige universet. Men da vi finjusterte denne teorien for å gi oss en prediksjon som samsvarte med det nye datasettet, vi fant det antallet nøytrinoer var større enn antallet antinøytrinoer.

Hva betyr det alt?

Denne analysen av nye heliumrike galaksedata har en vidtrekkende konsekvens – den kan brukes til å forklare asymmetrien mellom materie og antimaterie. Subaru-dataene peker oss direkte til en kilde for den ubalansen: nøytrinoer. I denne studien beviste mine samarbeidspartnere og jeg at denne nye målingen av helium stemmer overens med at det er flere nøytrinoer enn antinøytrinoer i det tidlige universet. Gjennom kjente og sannsynlige partikkelfysiske prosesser, kan asymmetrien i nøytrinoene forplante seg til en asymmetri i all materie.

Resultatet av vår studie er en vanlig type resultater i den teoretiske fysikkverdenen. I utgangspunktet oppdaget vi en levedyktig måte som materie-antimaterie-asymmetrien kunne ha blitt produsert på, men det betyr ikke at den definitivt ble produsert på den måten. Det faktum at dataene passer med vår teori er et hint om at teorien vi har foreslått kan være den riktige, men dette faktum alene betyr ikke at det er det.

Så, er disse bitte små nøytrinoene nøkkelen til å svare på det eldgamle spørsmålet, "Hvorfor eksisterer noe?" I følge denne nye forskningen kan de bare være det.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Bilde Credit: NASA