Вимірювання гелію у далеких галактиках може дати фізикам зрозуміти, чому існує Всесвіт

Коли такі фізики-теоретики, як я, кажуть, що ми вивчаємо, чому існує Всесвіт, ми звучимо як філософи. Але нові дані, зібрані дослідниками з використанням японських Телескоп Субару виявив розуміння саме цього питання.

The Big Bang запустив всесвіт як ми знаємо його 13.8 мільярдів років тому. Багато теорій у фізиці елементарних частинок припускають, що для всієї матерії, створеної під час зародження Всесвіту, рівна кількість антиматерії мала бути створена поряд із нею. Антиматерія, як і матерія, має масу і займає простір. Однак частинки антиматерії виявляють протилежні властивості своїм відповідним частинкам матерії.

Коли шматки матерії та антиматерії стикаються, вони знищити один одного потужним вибухом, залишаючи позаду лише енергію. Теорії, які передбачають створення рівномірного балансу матерії та антиматерії, дивують те, що якби вони були правдивими, вони повністю знищили б одна одну, залишивши Всесвіт порожнім. Отже, під час народження Всесвіту мало бути більше матерії, ніж антиматерії, тому що Всесвіт не порожній; воно сповнене речей, створених із матерії, таких як галактики, зірки та планети. Трохи антиматерії існує навколо нас, але це дуже рідко.

Як фізик, який працює над даними Subaru, мене цікавить ця т.зв проблема асиметрії матерія-антиматерія. В нашому Недавнє дослідження, ми з моїми співробітниками виявили, що нове вимірювання телескопом кількості та типу гелію в далеких галактиках може запропонувати вирішення цієї давньої таємниці.

Після Великого Вибуху

У перші мілісекунди після Великого вибуху Всесвіт був гарячим, щільним і повним елементарних частинок, таких як протони, нейтрони та електрони. плавання в плазмі. Також присутні в цьому басейні частинки були нейтрино, які є дуже крихітними, слабко взаємодіючими частинками, і антинейтрино, їхні аналоги з антиматерії.

Фізики вважають, що всього через секунду після Великого вибуху з'явилися ядра світла такі елементи, як водень і почав утворюватися гелій. Цей процес відомий як Нуклеосинтез Великого вибуху. Утворені ядра становили о 75 відсотків ядер водню і 24 відсотки ядер гелію, а також невеликі кількості важчих ядер.

Спільнота фізиків найбільш широко визнана теорія про утворення цих ядер говорить нам про те, що нейтрино та антинейтрино зіграли фундаментальну роль у створенні ядер гелію, зокрема.

Створення гелію в ранньому Всесвіті відбувалося в два етапи. По-перше, нейтрони та протони перетворюються з одного в інший в a ряд процесів за участю нейтрино та антинейтрино. У міру охолодження Всесвіту ці процеси припинилися і було встановлено співвідношення протонів до нейтронів.

Як фізики-теоретики, ми можемо створити моделі, щоб перевірити, як співвідношення протонів і нейтронів залежить від відносної кількості нейтрино та антинейтрино в ранньому Всесвіті. Якщо було більше нейтрино, тоді наші моделі показують більше протонів і, як наслідок, буде менше нейтронів.

Коли Всесвіт охолоджувався, водень, гелій та інші елементи утворюється з цих протонів і нейтронів. Гелій складається з двох протонів і двох нейтронів, а водень – це лише один протон і жодних нейтронів. Отже, чим менше нейтронів буде доступно в ранньому Всесвіті, тим менше буде вироблено гелію.

Оскільки ядра утворилися під час нуклеосинтезу Великого вибуху можна спостерігати й сьогодні, вчені можуть зробити висновок, скільки нейтрино та антинейтрино було в ранньому Всесвіті. Вони роблять це, розглядаючи галактики, які багаті легкими елементами, такими як водень і гелій.

Підказка в гелії

Минулого року Subaru Collaboration — група японських вчених, які працюють над телескопом Subaru — оприлюднила дані про 10 галактик далеко за межами нашого, які майже виключно складаються з водню та гелію.

Використання техніки, яка дозволяє дослідникам відрізняти різні елементи один від одного на основі довжин хвиль світла спостерігаючи в телескоп, вчені Subaru точно визначили, скільки гелію міститься в кожній із цих 10 галактик. Важливо те, що вони виявили менше гелію, ніж передбачала раніше прийнята теорія.

З цим новим результатом ми з моїми співробітниками працювали у зворотному напрямку, щоб знайти число нейтрино і антинейтрино необхідний для отримання вмісту гелію в даних. Згадайте свій урок математики в дев’ятому класі, коли вас попросили розв’язати «X» у рівнянні. Те, що моя команда зробила, було, по суті, більш складною версією цього, де наш «X» був кількістю нейтрино або антинейтрино.

Раніше прийнята теорія передбачала, що в ранньому Всесвіті має бути однакова кількість нейтрино та антинейтрино. Однак коли ми змінили цю теорію, щоб отримати прогноз, який відповідав би новому набору даних, ми це виявили кількість нейтрино була більшою за кількість антинейтрино.

Що це все означає?

Цей аналіз нових даних про багаті гелієм галактики має далекосяжні наслідки — його можна використовувати для пояснення асиметрії між матерією та антиматерією. Дані Subaru прямо вказують нам на джерело цього дисбалансу: нейтрино. У цьому дослідженні ми з моїми співробітниками довели, що це нове вимірювання гелію узгоджується з тим, що в ранньому Всесвіті було більше нейтрино, ніж антинейтрино. Через відомі та ймовірні процеси фізики елементарних частинок, асиметрія в нейтрино може поширюватися в асиметрію в усій матерії.

Результат нашого дослідження є поширеним типом результату у світі теоретичної фізики. По суті, ми виявили життєздатний спосіб, за допомогою якого могла бути створена асиметрія матерія-антиматерія, але це не означає, що вона точно була створена таким чином. Той факт, що дані збігаються з нашою теорією, є натяком на те, що запропонована нами теорія може бути правильною, але сам по собі цей факт не означає, що це так.

Отже, чи є ці крихітні маленькі нейтрино ключем до відповіді на давнє запитання: «Чому щось існує?» Відповідно до цього нового дослідження, вони просто могли бути.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Зображення Фото: NASA

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/07/27/measuring-helium-in-distant-galaxies-may-give-physicists-insight-into-why-the-universe-exists/