Er teorier om primordiale magnetfelter på vej i en drejning?

I kosmiske hulrum, hvor tætheden af ​​galakser er langt lavere end standard, astronomer har observeret svage magnetfelter, der kan give et vindue ind i det tidlige univers. Felterne 10 ^-17 -10 ^-10 G i størrelse med store kohærenslængder på op til megaparsecs menes at have deres oprindelse i det tidlige univers, men indtil videre er det uklart, hvornår eller hvordan de blev genereret. En hypotese er, at en ubalance i antallet af "venstrehåndede" og "højrehåndede" fermioner kan være kernen i det, da dette kunne give anledning til spiralformede magnetiske felter. Men indtil videre har der ikke været nogen detaljeret analyse af, hvordan udviklingen af ​​antallet af venstre- og højrehåndede fermioner kan stå i forhold til denne hypotese. Nu rapporterer et samarbejde mellem forskere i Europa om en mere stringent analyse af denne chiralitetsubalance med overraskende resultater.

Fermioners håndhævelse eller chiralitet er en grundlæggende egenskab ved kvantepartikler (relevant for beskrivelsen af ​​den svage interaktion mellem dem). "For masseløse fermioner falder det sammen med partiklens helicitet, dvs. fremspringet af partikelens spin i bevægelsesretningen, " forklarer Oleksandr Sobol, en postdoc-forsker ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz og University of Kiev, og tilsvarende forfatter til denne seneste rapport. "Imidlertid, for ægte massive fermioner er der ingen simpel analogi."

Oleksandr forklarer, at visse processer kan vende kiraliteten, som har en tendens til at udjævne ubalancen i fermionkiralitet over tid. Hidtil har kosmologer stolet på et skøn over denne henfaldshastighed baseret på de enkleste reaktioner involveret i disse processer. Ifølge disse principper er henfaldshastigheden proportional med kvadratet af en fundamental konstant kendt som finstrukturkonstanten, som kvantificerer styrken af ​​elektromagnetiske interaktioner mellem fundamentale partikler. Imidlertid, en af ​​de ting, dette skøn ikke tager højde for, er måden partikler i et plasma adskiller sig fra partikler i et vakuum. Det viser sig, at dette har en væsentlig indflydelse på beregninger af sandsynligheden for en af ​​de spredningsprocesser, der kan vende en partikels chiralitet.

Miljøeffekter

I enhver spredningsproces, momentum overføres fra en kolliderende partikel til en anden, forklarer Sobol. Jo lavere momentum der overføres, jo større er sandsynligheden for, at der vil ske spredning. I deres analyse af nedbrydningshastigheden for chiralitetsubalancen, han og hans samarbejdspartnere fokuserer i høj grad på Compton-spredning, hvor en elektron og foton støder sammen, som kan vende elektronens chiralitet. Her som Sobol fremhæver, når elektronen og fotonen udveksler deres momenta uden at momentaværdierne ændrer sig meget, spredningssandsynligheden kan virkelig skyde i vejret, vokser så hurtigt, at integration over alle mulige momentumoverførselsværdier har en tendens til det uendelige - en såkaldt infrarød singularitet, hvor infrarød refererer til den involverede lave momentumoverførsel.

"Naturligvis, dette er ikke fysisk, fordi alle mængder bør forblive begrænsede, " tilføjer Sobol, påpeger, at hensyntagen til forskellene mellem partikler i plasma og i vakuum kan løse problemet. "Miljøet ændrer energispredningen af ​​partikler og gør deres levetid begrænset." Ved at tage disse miljøeffekter i betragtning var forskerne i stand til at gøre alle mængderne endelige. Hvad de også fandt til deres overraskelse, var, at en af ​​finstrukturkonstanterne i chiralitetshenfaldshastighedsrelationen så ophæves, så hastigheden bliver lineært proportional med finstrukturkonstanten.

Ændringen i relationen, der beskriver henfaldshastigheden, giver den en værdi, der er to størrelsesordener hurtigere end den, der er fastsat af det tidligere estimat. Selvom en så stor uoverensstemmelse kan lyde som noget, der burde have været samlet et sted langs linjen før - eller i det mindste kontrolleret - er det først for nylig, at numeriske beregninger, der bruger disse værdier, virkelig har været levedygtige. "Den kvantitative analyse af plasmaer med chiral ubalance kræver komplicerede og numerisk dyre simuleringer, som folk ikke var i stand til at udføre for mange år siden, " siger Sobol. "Med andre ord, indtil for nylig var den nøjagtige numeriske værdi af chiralitets-flipping-hastigheden ikke nødvendig." Han fremhæver også, at det også var uklart, hvordan man beregner denne hastighed, da det kræver noget "ikke-trivielt" matematik - en dobbelt forstyrrende udvidelse, i den fine struktur konstant og elektronmasse.

Så, med en så hurtig henfaldshastighed bekræftet, er spillet slut for teorier om urmagnetiske felter genereret gennem fermion-kiralitetsubalance? Ikke helt. Som Sobol påpeger er en anden nøglefaktor, hvor hurtigt chiralitetsubalancen kan overføres til magnetfeltet. "Denne sats er stadig ukendt, og den bør bestemt beregnes, " siger Sobol. "Kun ved at kende begge hastigheder kan man konkludere om muligheden for magnetogenesen i denne model."

© 2020 Science X Network