Att mäta helium i avlägsna galaxer kan ge fysiker insikt i varför universum existerar

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

När teoretiska fysiker som jag säger att vi studerar varför universum existerar låter vi som filosofer. Men ny data som samlats in av forskare som använder Japans Subaru teleskop har avslöjat insikter i just den frågan.

Big Bang kickstartade universum som vi känner det för 13.8 miljarder år sedan. Många teorier inom partikelfysik tyder på att för all materia som skapades vid universums uppfattning borde en lika stor mängd antimateria ha skapats vid sidan av den. Antimateria, liksom materia, har massa och tar upp plats. Antimateriapartiklar uppvisar dock motsatta egenskaper av sina motsvarande materialpartiklar.

När bitar av materia och antimateria kolliderar, de förinta varandra i en kraftfull explosion, lämnar bara energi efter sig. Det förbryllande med teorier som förutspår skapandet av en jämn balans mellan materia och antimateria är att om de vore sanna, skulle de två ha förintat varandra totalt och lämnat universum tomt. Så det måste ha funnits mer materia än antimateria vid universums födelse, eftersom universum inte är tomt; den är full av saker som är gjorda av materia, som galaxer, stjärnor och planeter. Lite antimateria finns omkring oss, men det är mycket sällsynt.

Som en fysiker som arbetar med Subaru-data, jag är intresserad av detta sk materia-antimateria asymmetriproblem. I vår färsk studie, fann mina medarbetare och jag att teleskopets nya mätning av mängden och typen av helium i avlägsna galaxer kan erbjuda en lösning på detta långvariga mysterium.

Efter Big Bang

Under de första millisekunderna efter Big Bang var universum varmt, tätt och fullt av elementarpartiklar som protoner, neutroner och elektroner simma runt i en plasma. Också närvarande i denna pool av partiklar var neutriner, som är mycket små, svagt interagerande partiklar, och antineutrinos, deras antimateriamotsvarigheter.

Fysiker tror att bara en sekund efter Big Bang, ljusets kärnor element som väte och helium började bildas. Denna process är känd som Big Bang nukleosyntes. De bildade kärnorna var ca 75 procent vätekärnor och 24 procent heliumkärnorplus små mängder av tyngre kärnor.

Fysikgemenskapens mest allmänt accepterad teori om bildandet av dessa kärnor berättar att neutriner och antineutriner spelade en grundläggande roll i skapandet av heliumkärnor, i synnerhet.

Heliumskapandet i det tidiga universum skedde i en tvåstegsprocess. Först omvandlas neutroner och protoner från den ena till den andra i en serie av processer involverar neutriner och antineutriner. När universum svalnade stoppades dessa processer och förhållandet mellan protoner och neutroner inställdes.

Som teoretiska fysiker kan vi skapa modeller för att testa hur förhållandet mellan protoner och neutroner beror på det relativa antalet neutriner och antineutriner i det tidiga universum. Om fler neutriner var närvarande, då visar våra modeller fler protoner och färre neutroner skulle existera som ett resultat.

När universum svalnade, väte, helium och andra element bildas av dessa protoner och neutroner. Helium består av två protoner och två neutroner, och väte är bara en proton och inga neutroner. Så ju färre neutroner som finns tillgängliga i det tidiga universum, desto mindre helium skulle produceras.

Eftersom kärnorna bildades under Big Bang-nukleosyntesen kan observeras än idag, kan forskare sluta sig till hur många neutriner och antineutriner som fanns under det tidiga universum. De gör detta genom att titta specifikt på galaxer som är rika på lätta element som väte och helium.

Ett diagram som visar hur protoner och neutroner bildar heliumatomer. — I en serie högenergipartikelkollisioner bildas element som helium i det tidiga universum. Här står D för deuterium, en isotop av väte med en proton och en neutron, och γ står för fotoner, eller ljuspartiklar. I serien av kedjereaktioner som visas smälter protoner och neutroner samman för att bilda deuterium, sedan smälter dessa deuteriumkärnor för att bilda heliumkärnor. Bildkredit: Anne-Katherine Burns

En ledtråd i helium

Förra året släppte Subaru Collaboration – en grupp japanska forskare som arbetar på Subaru-teleskopet – data om 10 XNUMX galaxer långt utanför våra egna som nästan uteslutande består av väte och helium.

Att använda en teknik som gör att forskare kan skilja olika element från varandra baserat på ljusets våglängder observerade i teleskopet, bestämde Subaru-forskarna exakt hur mycket helium som finns i var och en av dessa 10 galaxer. Viktigt är att de hittade mindre helium än den tidigare accepterade teorin förutspådde.

Med detta nya resultat arbetade jag och mina medarbetare bakåt för att hitta antal neutriner och antineutriner nödvändigt för att producera heliummängden som finns i data. Tänk tillbaka på din matematikklass i nian när du blev ombedd att lösa "X" i en ekvation. Vad mitt team gjorde var i huvudsak den mer sofistikerade versionen av det där vårt "X" var antalet neutriner eller antineutriner.

Den tidigare accepterade teorin förutspådde att det skulle finnas samma antal neutrinos och antineutrinos i det tidiga universum. Men när vi justerade denna teori för att ge oss en förutsägelse som matchade den nya datamängden, vi hittade det antalet neutriner var större än antalet antineutriner.

Vad betyder det hela?

Denna analys av nya heliumrika galaxdata har en långtgående konsekvens - den kan användas för att förklara asymmetrin mellan materia och antimateria. Subaru-data pekar oss direkt till en källa för den obalansen: neutrinos. I den här studien bevisade jag och mina medarbetare att denna nya mätning av helium överensstämmer med att det finns fler neutriner än antineutriner i det tidiga universum. Genom kända och troliga partikelfysiska processer, kan asymmetrin i neutrinerna fortplanta sig till en asymmetri i all materia.

Resultatet av vår studie är en vanlig typ av resultat inom den teoretiska fysikvärlden. I grund och botten upptäckte vi ett gångbart sätt på vilket asymmetrin mellan materia och antimateria kunde ha framställts, men det betyder inte att den definitivt producerades på det sättet. Det faktum att data stämmer överens med vår teori är en antydan om att teorin vi har föreslagit kan vara den korrekta, men detta faktum i sig betyder inte att det är det.

Så, är dessa små neutrinos nyckeln till att svara på den urgamla frågan, "Varför existerar något?" Enligt denna nya forskning kan de bara vara det.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Image Credit: NASA