Symmetriebruch in „galaktischen Tetraedern“ im Zusammenhang mit Paritätsverletzung – Physics World

Astronomen in den USA haben eine unerwartete Asymmetrie in der relativen Position von Galaxien mit Hunderten Millionen Lichtstärken entdeckt-Jahre auseinander. Das Phänomen könnte durch einen Bruch der Symmetrie der Naturgesetze erklärt werden, der vermutlich kurz nach dem Urknall stattgefunden hat. Infolgedessen könnte die Beobachtung helfen zu erklären, warum es im beobachtbaren Universum offenbar viel mehr Materie als Antimaterie gibt.

Die Entdeckung wurde durch die Analyse einer Datenbank mit über einer Million beobachteter Galaxien gemacht Spektroskopische Untersuchung der Baryonenoszillation (CHEF). Die Recherche wurde durchgeführt von Jimin Hou und Zachary Slepian an der University of Florida und Robert Cahn am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien, der das unerwartete Muster entdeckte.

Die Beobachtung steht im Zusammenhang mit der Paritätssymmetrie, die für die weitreichenden elektromagnetischen und gravitativen Wechselwirkungen im Standardmodell der Teilchenphysik gilt. Parität erfordert, dass sich ein physikalisches System genauso verhält wie sein Spiegelbild. Menschliche Hände zum Beispiel sind Spiegelbilder voneinander, aber die Gesetze der Physik gelten gleichermaßen für die rechte und linke Hand.

Paritätsverletzung

In der mikroskopischen Welt kann die Paritätssymmetrie jedoch durch die schwache Wechselwirkung und möglicherweise durch die starke Wechselwirkung verletzt werden – die beide auf sehr kurze Entfernungen wirken.

Das Trio erforschte die Paritätssymmetrie in sehr großem Maßstab, indem es Linien zwischen Vierlingen von Galaxien zeichnete, die durch Abstände zwischen 65 und 500 Millionen Lichtwellen voneinander getrennt sind-Jahre. Wie sie in einem aktuellen Artikel zeigten Physical Review Letters, könnten die durch diese Übung erzeugten Tetraeder dann auf Hinweise auf eine Paritätsverletzung analysiert werden.

Jetzt berichten sie über das Ergebnis einer solchen Studie, das Slepian als „große Überraschung“ bezeichnet.

Das Team definierte rechts- und linkshändige galaktische Tetraeder basierend darauf, wie Galaxien mit ihren nächsten und am weitesten entfernten Partnern verbunden waren. Sie fanden heraus, dass es deutlich mehr Galaxien mit einem Händigkeitstyp als mit dem anderen gab.

Galaktische Tetraeder

„Für jede gegebene Galaxienverteilung gehen wir davon aus, dass die Clusterbildung unabhängig von der Rotation um jede Galaxie unveränderlich ist“, erklärt Slepian. „Wenn ich also in einer Galaxie sitze, sollte ich sehen, dass das Clustermuster im Durchschnitt überall dort, wo ich meinen Kopf drehe und hinschaue, das gleiche ist. Doch stattdessen sehen wir ein Übermaß an Tetraedern gegenüber ihren Spiegelbildern.“

Trotz der Stärke des Effekts bleibt der Grund für diese Händigkeit ein Rätsel. Die Schwerkraft ist die einzige bekannte Kraft, die über die großen Entfernungen zwischen den Galaxien wirken kann, und sie sollte die Parität nicht verletzen. Stattdessen sagt Slepian, dass die Asymmetrie „noch früher in der Geschichte des Universums eingeprägt worden sein muss, als andere Kräfte im Spiel waren“.

Dies führt uns zurück in die Zeit der kosmischen Inflation, die um das Jahr 10 stattfand^-33 Es ist nach dem Urknall. Zu diesem Zeitpunkt erlebte das Universum eine kurze Phase extrem schneller Expansion. Physiker gehen davon aus, dass sich Quantenfluktuationen während der Inflation inzwischen zur großräumigen Struktur des Universums ausgeweitet haben. Daher könnte sich jede während der Inflation auftretende Paritätsverletzung 13.7 Milliarden Jahre später auf die Verteilung der Galaxien im Universum auswirken.

 Der Ursprung dieser Paritätsverletzung bleibt unbekannt. „Es könnte eine neue Kraft oder ein neues Teilchen gewesen sein, das damals auf Quantenskala wirkte“, sagt Slepian.

Fehlende Antimaterie

Diese mögliche Beobachtung einer Paritätsverletzung bei der Verteilung von Galaxien ist eine aufregende Neuigkeit. Neben dem Hinweis auf die Existenz einer Physik jenseits des Standardmodells könnte es auch dazu beitragen, ein weiteres der tiefsten Rätsel der Physik zu lösen: Warum gibt es im Universum viel mehr Materie als Antimaterie?

Das Standardmodell geht davon aus, dass beim Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie entstanden sein müssten. Wäre das passiert, hätten sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichtet und das Universum ohne beides zurückgelassen. Zu unserem Glück scheint ein Überschuss an Materie übrig geblieben zu sein – ein Phänomen namens Baryogenese.

Es ist möglich, dass der Mechanismus, der die Paritätsverletzung verursachte, die zu dieser neuesten astronomischen Beobachtung führte, auch mit der Baryogenese zusammenhängt.

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„Es gibt eine Reihe von Mechanismen, die eine Paritätsverletzung verursachen können, allesamt ziemlich spekulativ“, sagt Slepian. Er zitiert hypothetische Teilchen namens Axionen oder eine der Grundkräfte, die sich in den hohen Energien des Urknalls anders verhalten. „Obwohl es nicht garantiert ist, dass der Mechanismus, der diese Paritätsverletzung in den Galaxien hervorruft, auch die Baryogenese erklären könnte, denke ich, dass es durchaus einen Zusammenhang geben könnte.“

Obwohl die Existenz dieser galaktischen Asymmetrie nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte, liefern die Ergebnisse starke Beweise für Inflation und Physik jenseits des Standardmodells. Allerdings könnte ein systematischer Fehler in den Daten für die Beobachtung verantwortlich sein. „Ich fühle mich viel besser, wenn das gleiche Signal in einem anderen Datensatz gesehen wird, der von einem anderen Instrument mit anderer Software und verschiedenen Leuten aufgenommen wurde“, sagt Slepian.

Slepian, Hou und Cahn sind alle Mitglieder des Wissenschaftsteams der Spektroskopisches Instrument mit dunkler Energie (DESI) am Kitt Peak National Observatory. Es wird über 35 Millionen Galaxien beobachten, und das Trio beabsichtigt, DESI für weitere Beobachtungen zu nutzen, um ihre Ergebnisse zu bestätigen.

Die Ergebnisse sind in beschrieben Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/symmetry-breaking-in-galactic-tetrahedrons-linked-to-parity-violation/