Măsurarea heliului în galaxii îndepărtate poate oferi fizicienilor o perspectivă asupra de ce există universul

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Când fizicienii teoreticieni ca mine spun că studiem de ce există universul, parăm ca niște filozofi. Dar noi date colectate de cercetători folosind Japonia Telescopul Subaru a dezvăluit perspective asupra acestei întrebări.

Big Bang-ul a dat startul universului așa cum o știm acum 13.8 miliarde de ani. Multe teorii în fizica particulelor sugerează că pentru toată materia creată la concepția universului, o cantitate egală de antimaterie ar fi trebuit să fie creată alături de ea. Antimateria, ca și materia, are masă și ocupă spațiu. Cu toate acestea, particulele de antimaterie prezintă proprietăți opuse particulelor de materie corespunzătoare.

Când bucăți de materie și antimaterie se ciocnesc, ele anihilați reciproc într-o explozie puternică, lăsând în urmă doar energie. Lucrul derutant despre teoriile care prevăd crearea unui echilibru egal al materiei și antimateriei este că, dacă ar fi adevărate, cele două s-ar fi anihilat reciproc, lăsând universul gol. Deci trebuie să fi fost mai multă materie decât antimaterie la nașterea universului, pentru că universul nu este gol; este plin de lucruri care sunt făcute din materie, cum ar fi galaxii, stele și planete. Puțină antimaterie există în jurul nostru, dar este foarte rar.

Ca fizician care lucrează la datele Subaru, sunt interesat de acest așa-zis problema de asimetrie materie-antimaterie. În a noastră studiu recent, eu și colaboratorii mei am descoperit că noua măsurare a telescopului a cantității și tipului de heliu din galaxiile îndepărtate poate oferi o soluție la acest mister de lungă durată.

După Big Bang

În primele milisecunde după Big Bang, universul era fierbinte, dens și plin de particule elementare precum protoni, neutroni și electroni. înotând într-o plasmă. De asemenea, au fost prezente în acest bazin de particule neutrini, care sunt particule foarte mici, care interacționează slab, și antineutrini, omologii lor de antimaterie.

Fizicienii cred că la doar o secundă după Big Bang, nucleele luminii elemente precum hidrogenul iar heliul a început să se formeze. Acest proces este cunoscut ca Nucleosinteza Big Bang. Nucleele formate au fost cca 75% nuclee de hidrogen și 24% nuclee de heliu, plus cantități mici de nuclee mai grele.

Comunitatea fizicii cea mai larg acceptată teorie asupra formării acestor nuclee ne spune că neutrinii și antineutrinii au jucat un rol fundamental în crearea nucleelor de heliu, în special.

Crearea heliului în universul timpuriu a avut loc într-un proces în doi pași. În primul rând, neutronii și protonii s-au transformat de la unul la altul într-un serie de procese implicând neutrini și antineutrini. Pe măsură ce universul s-a răcit, aceste procese s-au oprit și a fost stabilit raportul dintre protoni și neutroni.

În calitate de fizicieni teoreticieni, putem crea modele pentru a testa modul în care raportul dintre protoni și neutroni depinde de numărul relativ de neutrini și antineutrini din universul timpuriu. Dacă au fost prezenți mai mulți neutrini, atunci modelele noastre arată mai mulți protoni și ca rezultat ar exista mai puțini neutroni.

Pe măsură ce universul s-a răcit, hidrogenul, heliul și alte elemente format din acești protoni și neutroni. Heliul este format din doi protoni și doi neutroni, iar hidrogenul este doar un proton și fără neutroni. Deci, cu cât sunt mai puțini neutroni disponibili în universul timpuriu, cu atât ar fi produs mai puțin heliu.

Deoarece nucleii s-au format în timpul nucleosintezei Big Bang poate fi observată și astăzi, oamenii de știință pot deduce câți neutrini și antineutrini au fost prezenți în timpul universului timpuriu. Ei fac acest lucru privind în mod specific galaxiile care sunt bogate în elemente ușoare precum hidrogenul și heliul.

O diagramă care arată modul în care protonii și neutronii formează atomii de heliu. — Într-o serie de ciocniri de particule de înaltă energie, elemente precum heliul se formează în universul timpuriu. Aici, D reprezintă deuteriu, un izotop de hidrogen cu un proton și un neutron, iar γ reprezintă fotoni sau particule de lumină. În seria de reacții în lanț prezentată, protonii și neutronii fuzionează pentru a forma deuteriu, apoi acești nuclee de deuteriu fuzionează pentru a forma nuclee de heliu. Credit imagine: Anne-Katherine Burns

Un indiciu în heliu

Anul trecut, Subaru Collaboration – un grup de oameni de știință japonezi care lucrează la telescopul Subaru – a lansat date despre 10 galaxii departe de ale noastre care sunt aproape exclusiv formate din hidrogen și heliu.

Folosind o tehnică care permite cercetătorilor să distingă elemente diferite unul de altul bazată pe lungimile de undă ale luminii observat la telescop, oamenii de știință de la Subaru au determinat exact cât heliu există în fiecare dintre aceste 10 galaxii. Important este că au găsit mai puțin heliu decât a prezis teoria acceptată anterior.

Cu acest nou rezultat, eu și colaboratorii mei am lucrat înapoi pentru a găsi numărul de neutrini și antineutrini necesare pentru a produce abundența de heliu găsită în date. Gândește-te la ora ta de matematică din clasa a IX-a când ți s-a cerut să rezolvi „X” într-o ecuație. Ceea ce a făcut echipa mea a fost în esență versiunea mai sofisticată a acesteia, unde „X”-ul nostru a fost numărul de neutrini sau antineutrini.

Teoria acceptată anterior a prezis că ar trebui să existe același număr de neutrini și antineutrini în universul timpuriu. Cu toate acestea, când am modificat această teorie pentru a ne oferi o predicție care să se potrivească cu noul set de date, am aflat ca numărul de neutrini a fost mai mare decât numărul de antineutrini.

Ce înseamnă totul?

Această analiză a noilor date galaxiilor bogate în heliu are o consecință de anvergură - poate fi folosită pentru a explica asimetria dintre materie și antimaterie. Datele Subaru ne indică direct o sursă pentru acel dezechilibru: neutrinii. În acest studiu, colaboratorii mei și cu mine am demonstrat că această nouă măsurare a heliului este în concordanță cu existența mai multor neutrini decât antineutrini în universul timpuriu. Prin procese cunoscute și probabile de fizică a particulelor, asimetria în neutrini s-ar putea propaga într-o asimetrie în toată materia.

Rezultatul studiului nostru este un tip comun de rezultat în lumea fizicii teoretice. Practic, am descoperit un mod viabil în care asimetria materie-antimaterie ar fi putut fi produsă, dar asta nu înseamnă că a fost produsă cu siguranță în acest fel. Faptul că datele se potrivesc cu teoria noastră este un indiciu că teoria pe care am propus-o ar putea fi cea corectă, dar acest fapt singur nu înseamnă că este.

Deci, acești neutrini mici sunt cheia pentru a răspunde la vechea întrebare: „De ce există ceva?” Conform acestei noi cercetări, ar putea fi.

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.

Credit imagine: NASA