测量遥远星系中的氦可以让物理学家深入了解宇宙存在的原因

由柏拉图重新发布

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当像我这样的理论物理学家说我们正在研究宇宙存在的原因时，我们听起来就像哲学家。但研究人员使用日本收集的新数据斯巴鲁望远镜揭示了对这个问题的见解。

大爆炸启动了宇宙据我们所知，这是 13.8 亿年前的事情。许多理论粒子物理学的研究表明，对于宇宙诞生时产生的所有物质，应该同时产生等量的反物质。反物质和物质一样，也有质量并占据空间。然而，反物质粒子表现出与其相应物质粒子相反的性质。

当物质和反物质碰撞时，它们在强大的爆炸中消灭对方，只留下能量。预测物质和反物质平等平衡的理论令人费解的是，如果它们是真的，那么两者就会完全消灭对方，使宇宙空虚。因此，在宇宙诞生时，物质一定多于反物质，因为宇宙不是空的；而是存在的。它充满了由物质组成的东西，比如星系、恒星和行星。一点点反物质存在于我们周围，但非常罕见。

RedFern 研究斯巴鲁数据的物理学家，我对这个所谓的感兴趣物质反物质不对称问题。在我们的最近的一项研究我和我的合作者发现，望远镜对遥远星系中氦的数量和类型的新测量可能为这个长期存在的谜团提供答案。

大爆炸之后

在大爆炸后的最初几毫秒内，宇宙炽热、致密，充满质子、中子和电子等基本粒子在等离子体中游动。该颗粒池中还存在中微子，它们是非常微小的、弱相互作用的粒子，以及反中微子，它们的反物质对应物。

物理学家认为，大爆炸后仅一秒钟，光核氢等元素氦开始形成。这个过程被称为大爆炸核合成。形成的原子核约为 75% 氢原子核和 24% 氦原子核，加上少量较重的原子核。

物理学界的最广泛接受的理论关于这些原子核形成的研究告诉我们，中微子和反中微子在氦原子核的形成过程中发挥了重要作用。

早期宇宙中氦的形成分两步过程。首先，中子和质子在一个过程中从一个转化为另一个。系列工序涉及中微子和反中微子。随着宇宙冷却，这些过程停止了质子与中子的比率已设定.

作为理论物理学家，我们可以创建模型来测试质子与中子的比率如何取决于早期宇宙中中微子和反中微子的相对数量。如果存在更多的中微子，那么我们的模型就会显示出更多的质子和更少的中子。

随着宇宙冷却，氢、氦和其他元素由这些质子和中子形成。氦由两个质子和两个中子组成，而氢只有一个质子，没有中子。因此，早期宇宙中可用的中子越少，产生的氦就越少。

因为原子核是在大爆炸核合成过程中形成的今天仍然可以观察到，科学家可以推断出早期宇宙中存在多少中微子和反中微子。他们通过专门观察富含氢和氦等轻元素的星系来做到这一点。

显示质子和中子如何形成氦原子的图表。 — 在一系列高能粒子碰撞中，氦等元素在早期宇宙中形成。这里，D 代表氘，一种具有一个质子和一个中子的氢同位素，γ 代表光子或轻粒子。在所示的一系列链式反应中，质子和中子融合形成氘，然后这些氘核融合形成氦核。图片来源：安妮-凯瑟琳·伯恩斯

氦气的线索

去年，斯巴鲁合作组织——一群研究斯巴鲁望远镜的日本科学家——发布了关于 10个星系距离我们很远，几乎完全由氢和氦组成。

使用一种允许研究人员区分不同元素的技术基于光的波长通过望远镜观察，斯巴鲁科学家准确确定了这 10 个星系中每个星系中存在多少氦。重要的是，他们发现的氦气比之前接受的理论预测的要少。

有了这个新结果，我和我的合作者逆向寻找中微子和反中微子的数量产生数据中发现的氦丰度所必需的。回想一下九年级数学课上，当你被要求解方程中的“X”时。我的团队所做的本质上是更复杂的版本，其中我们的“X”是中微子或反中微子的数量。

先前接受的理论预测，早期宇宙中中微子和反中微子的数量应该相同。然而，当我们调整这个理论以给出与新数据集匹配的预测时，我们发现中微子的数量大于反中微子的数量。

这是什么意义？

对新的富氦星系数据的分析具有深远的影响——它可以用来解释物质和反物质之间的不对称性。斯巴鲁的数据直接向我们指出了这种不平衡的根源：中微子。在这项研究中，我和我的合作者证明了这种对氦的新测量与早期宇宙中中微子比反中微子多是一致的。通过已知和可能的粒子物理过程，中微子中的不对称性可能会传播为所有物质中的不对称性。

我们的研究结果是理论物理界常见的结果类型。基本上，我们发现了一种可行的方式来产生物质-反物质不对称性，但这并不意味着它肯定是以这种方式产生的。数据符合我们的理论这一事实暗示我们提出的理论可能是正确的，但仅这一事实并不意味着它是正确的。

那么，这些微小的中微子是回答“为什么万物存在？”这个古老问题的关键。根据这项新研究，它们可能就是这样。

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图片来源：美国航空航天局