Symmetribrud i 'galaktiske tetraeder' forbundet med paritetsbrud - Physics World

Symmetribrud i 'galaktiske tetraeder' forbundet med paritetsbrud - Physics World

Tidsstempel: 13. juni 2023 kl. 9

JWST galakser
Paritetsbrud: billede af galakser taget af James Webb Space Telescope. Astronomer har fundet beviser for, at paritetskrænkelse i det tidlige univers påvirker fordelingen af ​​galakser i dag. (Med høflighed: NASA/ESA/CSA/JWST)

Astronomer i USA har opdaget en uventet asymmetri i de relative positioner af galakser, der er hundreder af millioner af lys-års mellemrum. Fænomenet kunne forklares med et brud på den symmetri af naturlovene, der menes at være sket kort efter Big Bang. Som et resultat kunne observationen hjælpe med at forklare, hvorfor der ser ud til at være meget mere stof end antistof i det observerbare univers.

Opdagelsen blev gjort ved at analysere en database med over en million galakser observeret af Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (CHEF). Undersøgelsen er udført af Jiamin Hou , Zachary Slepian ved University of Florida, og Robert Cahn ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien, som fandt det uventede mønster.

Observationen er relateret til paritetssymmetri, som gælder for langtrækkende elektromagnetiske og gravitationsinteraktioner i partikelfysikkens standardmodel. Paritet kræver, at et fysisk system vil opføre sig på samme måde som dets spejlbillede. Menneskehænder, for eksempel, er spejlbilleder af hinanden, men fysikkens love gælder ligeligt for højre og venstre hånd.

Paritetskrænkelse

I den mikroskopiske verden kan paritetssymmetri dog blive krænket af den svage interaktion og muligvis af den stærke interaktion – som begge virker på meget korte afstande.

Trioen udforskede paritetssymmetri i meget stor skala ved at tegne linjer mellem firlinger af galakser, der er adskilt af afstande mellem 65 millioner og 500 millioner lys-flere år. Som de viste i en nylig avis i Physical Review Letters, kunne tetraederne skabt af denne øvelse derefter analyseres for beviser på paritetskrænkelse.

Nu rapporterer de resultatet af en sådan undersøgelse, som Slepian beskriver som en "stor overraskelse".

Holdet definerede højre- og venstrehåndede galaktiske tetraeder baseret på, hvordan galakser var forbundet med deres nærmeste og fjerneste partnere. De fandt ud af, at der var betydeligt flere galakser med den ene type håndhed end den anden.

Galaktiske tetraeder

"For enhver given galaksefordeling antager vi, at hopdannelsen er invariant under rotation omkring enhver galakse," forklarer Slepian. "Så hvis jeg sidder i en galakse, burde jeg se, at mønstret for klynger i gennemsnit er det samme, uanset hvor jeg drejer mit hoved og kigger. Men i stedet ser vi et overskud af tetraedre over deres spejlbilleder."

På trods af effektens styrke forbliver årsagen til denne håndfasthed et mysterium. Tyngdekraften er den eneste kendte kraft, der kan virke over de enorme afstande, der adskiller galakserne, og den bør ikke krænke pariteten. I stedet siger Slepian, at asymmetrien "må have været præget endnu tidligere i universets historie, da andre kræfter var i spil".

Dette fører os helt tilbage til perioden med kosmisk inflation, som fandt sted omkring 10-33 s efter Big Bang. På dette tidspunkt oplevede universet en kort periode med ekstrem hurtig ekspansion. Fysikere mener, at kvanteudsving under inflation siden har udvidet sig til at blive universets storskalastruktur. Derfor kan enhver paritetskrænkelse, der er til stede under inflation, blive indprentet i, hvordan galakser er fordelt i universet 13.7 milliarder år senere.

 Oprindelsen af ​​denne paritetskrænkelse er stadig ukendt. "Det kunne have været en ny kraft eller en ny partikel, der virkede på en kvanteskala på det tidspunkt," siger Slepian.

Mangler antistof

Denne potentielle observation af paritetskrænkelse i, hvordan galakser er fordelt, er spændende nyheder. Ud over at antyde eksistensen af ​​fysik ud over Standardmodellen, kunne det også hjælpe med at løse et andet af fysikkens dybeste mysterier: hvorfor er der meget mere stof end antistof i universet.

Standardmodellen forudsiger, at lige store mængder stof og antistof skulle være blevet dannet i Big Bang. Var det sket, ville stof og antistof have udslettet hinanden og efterladt universet med ingen af ​​dem. Heldigvis for os synes der at have været et overskud af stof tilovers - et fænomen kaldet baryogenese.

Det er muligt, at den mekanisme, der forårsagede paritetskrænkelse, der førte til denne seneste astronomiske observation, også kan relateres til baryogenese.

"Der er en række mekanismer, der kan forårsage paritetskrænkelse, alle ret spekulative," siger Slepian. Han citerer hypotetiske partikler kaldet axioner, eller en af ​​de grundlæggende kræfter, der opfører sig anderledes i Big Bangs høje energier. "Selvom det ikke er garanteret, at uanset hvilken mekanisme, der producerer denne paritetskrænkelse i galakserne, også kan forklare baryogenese, tror jeg, at der bestemt kan være en sammenhæng."

Selvom eksistensen af ​​denne galaktiske asymmetri ikke er blevet fastslået ud over enhver tvivl, giver resultaterne stærke beviser for inflation og fysik ud over standardmodellen. Imidlertid kan en systematisk fejl i dataene være ansvarlig for observationen. "Jeg vil føle mig meget bedre, når det samme signal ses i et andet datasæt taget af et andet instrument med forskellig software og forskellige mennesker," siger Slepian.

Slepian, Hou og Cahn er alle medlemmer af videnskabsteamet Mørk energi spektroskopisk instrument (DESI) ved Kitt Peak National Observatory. Den vil observere over 35 millioner galakser, og trioen agter at bruge DESI til at foretage yderligere observationer for at bekræfte deres fund.

Resultaterne er beskrevet i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden