Opklaring af et mysterium omkring kosmisk stof

Tidligt i sin historie, kort efter Big Bang, var universet fyldt med lige store mængder stof og "antistof" - partikler, der er stoflige modstykker, men med modsat ladning. Men så, efterhånden som rummet udvidede sig, afkøledes universet. Nutidens univers er fuld af galakser og stjerner, der er lavet af stof. Hvor blev antistoffet af, og hvordan kom stof til at dominere universet? Denne kosmiske oprindelse af stoffet fortsætter med at undre videnskabsmænd.

Fysikere ved University of California, Riverside og Tsinghua University i Kina har nu åbnet en ny vej til at undersøge stoffets kosmiske oprindelse ved at påkalde sig den "kosmologiske kolliderer".

Ikke en hvilken som helst kolliderer

Højenergikollidere, såsom Large Hadron Collider, er blevet bygget til at producere meget tunge subatomære elementarpartikler, der kan afsløre ny fysik. Men noget ny fysik, såsom den, der forklarer mørkt stof og stoffets oprindelse, kan involvere meget tungere partikler, der kræver meget højere energi, end hvad en menneskeskabt kolliderer kan levere. Det viser sig, at det tidlige kosmos kunne have fungeret som sådan en super-kolliderer.

Yanou Cui, en lektor i fysik og astronomi ved UCR, forklarede, at det er en udbredt opfattelse, at kosmisk inflation, en æra, hvor universet udvidede sig med en eksponentielt accelererende hastighed, gik forud for Big Bang.

"Kosmisk inflation gav et meget energisk miljø, der muliggjorde produktionen af ​​tunge nye partikler såvel som deres interaktioner," sagde Cui. "Det inflationære univers opførte sig ligesom en kosmologisk kolliderer, bortset fra at energien var op til 10 milliarder gange større end nogen menneskeskabt kolliderer."

Ifølge Cui blev mikroskopiske strukturer skabt af energiske begivenheder under inflationen strakt efterhånden som universet udvidede sig, hvilket resulterede i områder med varierende tæthed i et ellers homogent univers. Efterfølgende udså disse mikroskopiske strukturer den storstilede struktur af vores univers, manifesteret i dag som fordelingen af ​​galakser hen over himlen. Cui forklarede, at ny subatomisk partikelfysik kan afsløres ved at studere aftrykket af den kosmologiske kollider i kosmos' indhold i dag, såsom galakser og den kosmiske mikrobølgebaggrund.

Cui og Zhong-Zhi Xianyu, en assisterende professor i fysik ved Tsinghua University, rapporterer i tidsskriftet Physical Review Letters at ved at anvende fysikken i den kosmologiske kolliderer og bruge præcisionsdata til at måle strukturen af ​​vores univers fra kommende eksperimenter såsom SPHEREx og 21 cm linjetomografi, kan mysteriet om stoffets kosmiske oprindelse blive optrevlet.

"Det faktum, at vores nuværende univers er domineret af stof, forbliver blandt de mest forvirrende, langvarige mysterier i moderne fysik," sagde Cui. "En subtil ubalance eller asymmetri mellem stof og antistof i det tidlige univers er påkrævet for at opnå nutidens stofdominans, men kan ikke realiseres inden for de kendte rammer for fundamental fysik."

Leptogenese til undsætning

Cui og Xianyu foreslår at teste leptogenese, en velkendt mekanisme, der forklarer oprindelsen af ​​baryonen – synlig gas og stjerner – asymmetri i vores univers. Var universet begyndt med lige store mængder stof og antistof, ville de have tilintetgjort hinanden til fotonstråling og intet efterladt. Da stof langt overstiger antistof i dag, kræves asymmetri for at forklare ubalancen.

"Leptogenese er blandt de mest overbevisende mekanismer, der genererer stof-antistof-asymmetrien," sagde Cui. "Det involverer en ny fundamental partikel, den højrehåndede neutrino. Man har dog længe troet, at det er nærmest umuligt at teste leptogenese, fordi massen af ​​den højrehåndede neutrino typisk er mange størrelsesordener uden for rækkevidde af den højeste energi Collider nogensinde bygget, Large Hadron Collider."

Det nye arbejde foreslår at teste leptogenese ved at afkode de detaljerede statistiske egenskaber af den rumlige fordeling af objekter i den kosmiske struktur observeret i dag, der minder om den mikroskopiske fysik under kosmisk inflation. Den kosmologiske kolliderende effekt, hævder forskerne, muliggør produktionen af ​​den supertunge højrehåndede neutrino under den inflationære epoke.

"Konkret demonstrerer vi, at væsentlige betingelser for asymmetrigenereringen, herunder interaktioner og masser af den højrehåndede neutrino, som er nøglespilleren her, kan efterlade karakteristiske fingeraftryk i statistikken over den rumlige fordeling af galakser eller kosmisk mikrobølgebaggrund og kan måles præcist," sagde Cui. "De astrofysiske observationer, der forventes i de kommende år, kan potentielt detektere sådanne signaler og optrevle stoffets kosmiske oprindelse." + Udforsk yderligere

Brug af universet som en 'kosmologisk kolliderer' (Opdatering)