Измерение гелия в далеких галактиках может дать физикам понимание того, почему существует Вселенная

Переиздано Платоном

Читают: 0

Когда физики-теоретики вроде меня говорят, что мы изучаем, почему существует Вселенная, мы звучим как философы. Но новые данные, собранные исследователями с помощью японского Субару телескоп раскрыл понимание этого самого вопроса.

The Big Bang запустил вселенную как мы знаем это 13.8 миллиардов лет назад. Много теорий в физике элементарных частиц предполагают, что для всей материи, созданной при зачатии Вселенной, должно было быть создано равное количество антиматерии вместе с ней. Антиматерия, как и материя, имеет массу и занимает пространство. Однако частицы антиматерии обладают свойствами, противоположными свойствам соответствующих им частиц материи.

Когда частицы материи и антиматерии сталкиваются, они уничтожить друг друга в мощном взрыве, оставляя после себя только энергию. Загадочная вещь в теориях, которые предсказывают создание равного баланса материи и антиматерии, заключается в том, что если бы они были правдой, они бы полностью уничтожили друг друга, оставив Вселенную пустой. Значит, при рождении Вселенной материи должно было быть больше, чем антиматерии, потому что Вселенная не пуста; он полон вещей, состоящих из материи, таких как галактики, звезды и планеты. Немного антивещества существует вокруг нас, но это очень редко.

физик, работающий с данными Subaru, меня интересует это так называемое проблема асимметрии вещества-антивещества, В нашем Недавнее исследование, мои сотрудники и я обнаружили, что новое измерение телескопом количества и типа гелия в далеких галактиках может предложить решение этой давней загадки.

После Большого Взрыва

В первые миллисекунды после Большого взрыва Вселенная была горячей, плотной и полной элементарных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. плавать в плазме. В этом пуле частиц также присутствовали нейтрино, которые являются очень крошечными, слабо взаимодействующими частицами, и антинейтрино, их аналогами из антиматерии.

Физики считают, что всего через одну секунду после Большого взрыва ядра света элементы, такие как водород и начал образовываться гелий. Этот процесс известен как Нуклеосинтез Большого взрыва. Образовавшиеся ядра были около 75 процентов ядер водорода и 24 процента ядер гелия, плюс небольшое количество более тяжелых ядер.

Физическое сообщество наиболее распространенная теория о формировании этих ядер говорит нам о том, что нейтрино и антинейтрино сыграли фундаментальную роль, в частности, в создании ядер гелия.

Создание гелия в ранней Вселенной происходило в два этапа. Во-первых, нейтроны и протоны превращались из одного в другой в ряд процессов с участием нейтрино и антинейтрино. По мере остывания Вселенной эти процессы прекратились и отношение протонов к нейтронам было установлено.

Как физики-теоретики мы можем создавать модели для проверки того, как соотношение протонов и нейтронов зависит от относительного количества нейтрино и антинейтрино в ранней Вселенной. Если было больше нейтрино, то наши модели показывают, что в результате будет существовать больше протонов и меньше нейтронов.

Когда Вселенная остыла, водород, гелий и другие элементы из этих протонов и нейтронов. Гелий состоит из двух протонов и двух нейтронов, а водород состоит только из одного протона и без нейтронов. Таким образом, чем меньше нейтронов было в ранней Вселенной, тем меньше гелия производилось.

Потому что ядра образовались во время нуклеосинтеза Большого взрыва. можно наблюдать и сегодня, ученые могут сделать вывод, сколько нейтрино и антинейтрино присутствовало в ранней Вселенной. Они делают это, специально изучая галактики, богатые легкими элементами, такими как водород и гелий.

Диаграмма, показывающая, как протоны и нейтроны образуют атомы гелия. — В результате серии столкновений частиц высокой энергии в ранней Вселенной образуются такие элементы, как гелий. Здесь D обозначает дейтерий, изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном, а γ обозначает фотоны или легкие частицы. В серии показанных цепных реакций протоны и нейтроны сливаются с образованием дейтерия, затем эти ядра дейтерия сливаются с образованием ядер гелия. Кредит изображения: Энн-Кэтрин Бернс

Подсказка в гелии

В прошлом году Subaru Collaboration — группа японских ученых, работающих над телескопом Subaru — опубликовала данные о 10 галактик далекие от наших, которые почти полностью состоят из водорода и гелия.

Использование техники, которая позволяет исследователям отличать разные элементы друг от друга. на основе длины волны света наблюдения в телескоп, ученые Subaru точно определили, сколько гелия существует в каждой из этих 10 галактик. Важно отметить, что они обнаружили меньше гелия, чем предсказывала ранее принятая теория.

Получив этот новый результат, я и мои сотрудники работали в обратном направлении, чтобы найти число нейтрино и антинейтрино необходимо для получения содержания гелия, найденного в данных. Вспомните урок математики в девятом классе, когда вас попросили найти «Х» в уравнении. То, что сделала моя команда, было, по сути, более сложной версией этого, где наш «X» был числом нейтрино или антинейтрино.

Ранее принятая теория предсказывала, что в ранней Вселенной должно быть одинаковое количество нейтрино и антинейтрино. Однако когда мы подкорректировали эту теорию, чтобы получить прогноз, соответствующий новому набору данных, мы нашли это количество нейтрино было больше, чем количество антинейтрино.

Что все это значит?

Этот анализ новых данных о галактиках, богатых гелием, имеет далеко идущие последствия — его можно использовать для объяснения асимметрии между материей и антиматерией. Данные Subaru прямо указывают нам на источник этого дисбаланса: нейтрино. В этом исследовании я и мои сотрудники доказали, что это новое измерение гелия согласуется с тем, что в ранней Вселенной было больше нейтрино, чем антинейтрино. Через известные и вероятные процессы в физике элементарных частиц, асимметрия в нейтрино может перейти в асимметрию во всей материи.

Результат нашего исследования является распространенным типом результатов в мире теоретической физики. По сути, мы обнаружили жизнеспособный способ, которым могла быть создана асимметрия материи и антиматерии, но это не значит, что она определенно была создана именно таким образом. Тот факт, что данные согласуются с нашей теорией, является намеком на то, что предложенная нами теория может быть правильной, но сам по себе этот факт не означает, что это так.

Итак, являются ли эти крошечные нейтрино ключом к ответу на извечный вопрос: «Почему что-то существует?» Согласно этому новому исследованию, они могут быть.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Изображение Фото: НАСА