Pomiar helu w odległych galaktykach może dać fizykom wgląd w to, dlaczego wszechświat istnieje

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Kiedy fizycy teoretyczni, tacy jak ja, mówią, że badamy, dlaczego wszechświat istnieje, brzmią jak filozofowie. Ale nowe dane zebrane przez badaczy korzystających z Japonii Teleskop Subaru ujawnił wgląd w to właśnie pytanie.

Big Bang zapoczątkował wszechświat jaką znamy 13.8 miliarda lat temu. Wiele teorii w fizyce cząstek elementarnych sugerują, że dla całej materii stworzonej przy poczęciu wszechświata, obok niej powinna była powstać taka sama ilość antymaterii. Antymateria, podobnie jak materia, ma masę i zajmuje przestrzeń. Jednak cząstki antymaterii wykazują przeciwne właściwości do odpowiadających im cząstek materii.

Kiedy kawałki materii i antymaterii zderzają się, one unicestwić się nawzajem w potężnej eksplozji, pozostawiając po sobie tylko energię. Zagadkową rzeczą w teoriach, które przewidują stworzenie równej równowagi materii i antymaterii, jest to, że gdyby były prawdziwe, oba całkowicie by się unicestwiły, pozostawiając wszechświat pusty. Tak więc przy narodzinach wszechświata musiało być więcej materii niż antymaterii, ponieważ wszechświat nie jest pusty; jest pełen rzeczy, które są zrobione z materii, jak galaktyki, gwiazdy i planety. Trochę antymaterii istnieje wokół nas, ale jest to bardzo rzadkie.

Jak fizyk pracujący nad danymi Subaru, interesuje mnie ten tzw problem asymetrii materii i antymaterii. W naszym Ostatnie badania, moi współpracownicy i ja odkryliśmy, że nowe pomiary ilości i rodzaju helu w odległych galaktykach za pomocą teleskopu mogą stanowić rozwiązanie tej od dawna tajemnicy.

Po Wielkim Wybuchu

W pierwszych milisekundach po Wielkim Wybuchu Wszechświat był gorący, gęsty i pełen cząstek elementarnych, takich jak protony, neutrony i elektrony pływanie w plazmie. W tej puli cząstek obecne były również neutrina, które są bardzo małymi, słabo oddziałującymi cząstkami, oraz antyneutrina, ich antymateryjne odpowiedniki.

Fizycy uważają, że zaledwie sekundę po Wielkim Wybuchu jądra światła pierwiastki takie jak wodór i hel zaczął się formować. Proces ten jest znany jako Nukleosynteza Wielkiego Wybuchu. Powstałe jądra miały ok 75 procent jąder wodoru i 24 procent jąder helu, plus niewielkie ilości cięższych jąder.

Społeczność fizyków najpowszechniej akceptowana teoria na temat powstawania tych jąder mówi nam, że neutrina i antyneutrina odegrały fundamentalną rolę w szczególności w tworzeniu jąder helu.

Tworzenie helu we wczesnym wszechświecie odbywało się w procesie dwuetapowym. Najpierw neutrony i protony przekształciły się z jednego w drugi w a szereg procesów z udziałem neutrin i antyneutrin. Gdy wszechświat ostygł, procesy te ustały i ustalono stosunek protonów do neutronów.

Jako fizycy teoretyczni możemy tworzyć modele do sprawdzania, w jaki sposób stosunek protonów do neutronów zależy od względnej liczby neutrin i antyneutrin we wczesnym wszechświecie. Jeśli było więcej neutrin, to nasze modele pokazują więcej protonów, a w rezultacie mniej neutronów.

Gdy wszechświat ostygł, wodór, hel i inne pierwiastki utworzone z tych protonów i neutronów. Hel składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, a wodór to tylko jeden proton i nie ma neutronów. Zatem im mniej neutronów było dostępnych we wczesnym wszechświecie, tym mniej helu byłoby produkowane.

Ponieważ jądra powstały podczas nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu można obserwować do dziś, naukowcy mogą wywnioskować, ile neutrin i antyneutrin było obecnych we wczesnym wszechświecie. Robią to, patrząc konkretnie na galaktyki bogate w lekkie pierwiastki, takie jak wodór i hel.

Diagram pokazujący, jak protony i neutrony tworzą atomy helu. — W serii zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pierwiastki takie jak hel powstają we wczesnym wszechświecie. Tutaj D oznacza deuter, izotop wodoru z jednym protonem i jednym neutronem, a γ oznacza fotony lub cząstki światła. W pokazanej serii reakcji łańcuchowych protony i neutrony łączą się, tworząc deuter, a następnie te jądra deuteru łączą się, tworząc jądra helu. Źródło zdjęcia: Anne-Katherine Burns

Wskazówka w helu

W zeszłym roku Subaru Collaboration – grupa japońskich naukowców pracujących nad teleskopem Subaru – opublikowała dane dotyczące 10 galaktyk daleko poza naszymi, które składają się prawie wyłącznie z wodoru i helu.

Używanie techniki, która pozwala naukowcom odróżnić różne elementy od siebie na podstawie długości fali światła zaobserwowanych w teleskopie, naukowcy Subaru dokładnie określili, ile helu znajduje się w każdej z tych 10 galaktyk. Co ważne, znaleźli mniej helu niż przewidywała wcześniej przyjęta teoria.

Dzięki temu nowemu wynikowi moi współpracownicy i ja pracowaliśmy wstecz, aby znaleźć liczba neutrin i antyneutrin niezbędne do wytworzenia obfitości helu stwierdzonej w danych. Przypomnij sobie swoje zajęcia z matematyki w dziewiątej klasie, kiedy poproszono cię o rozwiązanie równania ze znakiem „X”. To, co zrobił mój zespół, było zasadniczo bardziej wyrafinowaną wersją tego, gdzie nasze „X” było liczbą neutrin lub antyneutrin.

Przyjęta wcześniej teoria przewidywała, że we wczesnym wszechświecie powinna być taka sama liczba neutrin i antyneutrin. Kiedy jednak zmodyfikowaliśmy tę teorię, aby uzyskać prognozę pasującą do nowego zestawu danych, Znaleźliśmy to liczba neutrin była większa niż liczba antyneutrin.

Co to wszystko znaczy?

Ta analiza nowych danych galaktyk bogatych w hel ma daleko idące konsekwencje – może być wykorzystana do wyjaśnienia asymetrii między materią a antymaterią. Dane Subaru wskazują nam bezpośrednio źródło tej nierównowagi: neutrina. W tym badaniu moi współpracownicy i ja udowodniliśmy, że ten nowy pomiar helu jest zgodny z tym, że we wczesnym wszechświecie było więcej neutrin niż antyneutrin. Poprzez znane i prawdopodobne procesy fizyki cząstek elementarnych, asymetria w neutrinach może rozprzestrzenić się na asymetrię w całej materii.

Wynik naszych badań jest powszechnym rodzajem wyniku w świecie fizyki teoretycznej. Zasadniczo odkryliśmy realny sposób, w jaki asymetria materii i antymaterii mogła zostać wyprodukowana, ale to nie znaczy, że na pewno została wyprodukowana w ten sposób. Fakt, że dane pasują do naszej teorii, jest wskazówką, że teoria, którą zaproponowaliśmy, może być poprawna, ale sam ten fakt nie oznacza, że tak jest.

Czy więc te maleńkie neutrina są kluczem do odpowiedzi na odwieczne pytanie: „Dlaczego cokolwiek istnieje?” Według tych nowych badań, po prostu mogą być.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Kredytowych Image: NASA