Bevezetés
A fizikusok úgy vélik, hogy feltűnő aszimmetriát észleltek a galaxisok elrendezésében az égen. Ha beigazolódik, a megállapítás az ősrobbanás idején érvényes ismeretlen alaptörvények jellemzőire mutatna rá.
"Ha ez az eredmény valós, valaki Nobel-díjat fog kapni" - mondta Marc Kamionkowski, a Johns Hopkins Egyetem fizikusa, aki nem vett részt az elemzésben.
Mintha a Connect the Dots kozmikus játékát játszanák, a kutatók négy galaxisból álló halmazok között vonalakat húztak, négysarkú alakzatokat, úgynevezett tetraédereket alkotva. Amikor minden lehetséges tetraédert felépítettek egy 1 millió galaxisból álló katalógusból, azt találták, hogy az egyirányú tetraéderek száma meghaladja a tükörképeik számát.
A tetraéderek és tükörképeik közötti egyensúlyhiányra utalt először jelentett by Oliver Philcox, a New York-i Columbia Egyetem asztrofizikusa egy ben megjelent cikkében Fizikai áttekintés D szeptemberben. Egy párhuzamosan végzett független elemzés szerint, amely jelenleg szakértői értékelés alatt áll, Jiamin Hou és a Zachary Slepian a Floridai Egyetem és Robert Cahn Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban észlelt az aszimmetria olyan statisztikai bizonyossággal, amelyet a fizikusok általában véglegesnek tekintenek.
A szakértők szerint azonban egy ilyen kasszasiker megállapítással – és egy olyannal, amelyet még vizsgálnak – indokolt az óvatosság.
"Nincs nyilvánvaló oka annak, hogy hibáztak" - mondta Shaun Hotchkiss, az Aucklandi Egyetem kozmológusa. – Ez nem jelenti azt, hogy nincs hiba.
A feltételezett egyensúlyhiány sérti a „paritásnak” nevezett szimmetriát, a bal és a jobb egyenértékűségét. Ha a megfigyelés kiállja a vizsgálatot, a fizikusok úgy gondolják, hogy annak egy ismeretlen, paritássértő összetevőt kell tükröznie abban az ősi folyamatban, amely elvetette az univerzumunkban kialakult összes szerkezet magját.
„Ez egy hihetetlen eredmény – igazán lenyűgöző” – mondta Kamionkowski. „Hiszem? Várni fogok, hogy igazán ünnepelhessek.”
Balkezes Univerzum
A paritás egykor a fizika dédelgetett szimmetriája volt. De aztán 1957-ben Chien-Shiung Wu kínai-amerikai fizikus nukleáris bomlási kísérleteket végzett. kiderült hogy a mi univerzumunknak valóban van némi kézügyessége: a nukleáris bomlást okozó gyenge nukleáris erőben részt vevő szubatomi részecskék mágnesesen mindig a mozgásukkal ellentétes irányban irányulnak, így spirálisan spiráloznak, mint a bal oldali szálak. -kezes csavar. A tükörképes részecskék – a jobbkezes csavarokhoz hasonlók – nem érzik a gyenge erőt.
Wu kinyilatkoztatása megdöbbentő volt. „Mindnyájunkat megrendített szeretett barátunk, a paritás halála” – írta John Blatt fizikus Wolfgang Paulinak írt levelében.
A gyenge erő balkezességének olyan finom hatásai vannak, amelyek nem tudták volna befolyásolni a kozmoszt galaktikus léptékeken. De Wu felfedezése óta a fizikusok más módokat kerestek, amelyekben az univerzum eltér a tükörképétől.
Ha például az univerzum gyerekcipőiben volt érvényben valamilyen primordiális paritássértés, az talán egy csavart nyomott be a kozmosz szerkezetébe.
Úgy gondolják, hogy az univerzum születésének időpontjában vagy annak közelében az infláció néven ismert mező átjárta a teret. Forrongó, forrásban lévő közeg, ahol az inflaton részecskék folyamatosan buborékoltak és eltűntek, az inflációs mező is visszataszító volt; Amíg létezett, az univerzumunk gyorsan 100 billió billiószorosára tágult volna eredeti méretére. A részecskék minden kvantumingadozása az inflációs mezőben kifelé repült, és befagyott a kozmoszba, és az anyag sűrűségének változatai lettek. A sűrűbb zsebek továbbra is gravitációsan egyesültek, hogy létrehozzák a ma látható galaxisokat és nagyméretű szerkezeteket.
1999-ben a kutatók, köztük Kamionkowski figyelembe vett mi történne, ha egynél több mező lenne jelen a robbanás előtt. Az inflációs mező kölcsönhatásba léphetett egy másik mezővel, amely jobb- és balkezes részecskéket termelhetett. Ha az inflaton másként kezelte a jobbkezes részecskéket, mint a balkezeseket, akkor előnyben részesíthette volna az egyik kezű részecskéket a másikkal szemben. Ez az úgynevezett Chern-Simons csatolás a korai kvantumfluktuációkat preferált kezességgel hatotta volna át, ami a galaxisok bal- és jobbkezes tetraéderes elrendezésének kiegyensúlyozatlanságává fejlődött volna.
Ami a további mezőt illeti, az egyik lehetőség a gravitációs tér. Ebben a forgatókönyvben a paritást megsértő Chern-Simons kölcsönhatás lépne fel az inflációs részecskék és a gravitonok – a gravitációs kvantumegységek – között, amelyek az infláció során a gravitációs mezőben bukkantak volna fel. Egy ilyen kölcsönhatás a korai univerzum sűrűségváltozataiban, következésképpen a mai nagy léptékű struktúrában is kézügyességet teremtett volna.
Bevezetés
A 2006, István István, jelenleg a Brown Egyetem fizikusa, azt javasolta, hogy a Chern-Simons-féle gravitáció potenciálisan megoldhatja a kozmológia egyik legnagyobb rejtélyét is: miért tartalmaz univerzumunk több anyagot, mint antianyagot. Feltételezte, hogy a Chern-Simons kölcsönhatás viszonylag sok balkezes gravitont eredményezhetett volna, ami viszont előszeretettel hoz létre balkezes anyagot a jobbkezes antianyag helyett.
Sándor ötlete évekig viszonylag homályos maradt. Amikor hallott az új eredményekről, azt mondta: „nagy meglepetés volt”.
Tetraéder az égen
Cahn úgy gondolta, hogy az anyag-antianyag aszimmetria rejtvénye paritássértéssel a korai univerzumban „spekulatív, de egyben provokatív is” megoldásának lehetősége. 2019-ben úgy döntött, hogy a Sloan Digital Sky Survey galaxiskatalógusában keresi a paritássértést. Nem számított arra, hogy bármit is talál, de úgy gondolta, megér egy ellenőrzést.
Annak teszteléséhez, hogy a galaxisok eloszlása tiszteletben tartja-e vagy sérti-e a paritást, munkatársaival együtt tudták, hogy négy galaxis tetraéderes elrendezését kell tanulmányozniuk. Ennek az az oka, hogy a tetraéder a legegyszerűbb háromdimenziós alakzat, és csak a 3D-s tárgyaknak van esélye a paritás megsértésére. Ennek megértéséhez vegye figyelembe a kezét. Mivel a kezek 3D-sek, nem lehet balra forgatni, hogy jobbnak tűnjön. Fordítsa meg bal kezét úgy, hogy mindkét kéz hüvelykujja a bal oldalon legyen, és a kezei továbbra is másképp nézzenek ki – a tenyerek ellentétes irányba néznek. Ezzel szemben, ha egy bal kezet rajzol egy papírlapra, és kivágja a 2D-s képet, a kivágás megfordítása jobb kéznek tűnik. A kivágás és annak tükörképe megkülönböztethetetlen.
2020-ban Slepian és Cahn kidolgozott egy módszert a galaxisok tetraéderes elrendezésének „kezességének” meghatározására, hogy összehasonlítsák a bal- és jobbkezesek számát az égen. Először vettek egy galaxist, és megvizsgálták három másik galaxis távolságát. Ha a távolságok az óramutató járásával megegyező irányban növekedtek, mint egy jobbkezes csavar, akkor a tetraédert jobbkezesnek nevezték. Ha az óramutató járásával ellentétes irányba haladva nőttek a távolságok, akkor balkezes volt.
Annak megállapításához, hogy az univerzum egészének van-e előnyben részesített kézisége, meg kellett ismételni az elemzést az 1 millió galaxist tartalmazó adatbázisukból összeállított összes tetraéderre. Közel 1 billió billió ilyen tetraéder létezik – ez egy bonyolult lista, amelyet egyenként kell kezelni. De kialakult egy faktoring trükk korábbi munka Egy másik probléma megoldása lehetővé tette a kutatóknak, hogy holisztikusabban nézzék meg a tetraéderek paritását: ahelyett, hogy egyszerre egy tetraédert állítanának össze és meghatároznák a paritását, sorra vehették az egyes galaxisokat, és csoportosíthatták az összes többi galaxist a galaxistól való távolságuk szerint. olyan rétegeket hozva létre, mint a hagyma rétegei. Azáltal, hogy a galaxisok relatív helyzetét az egyes rétegekben a gömbharmonikusoknak nevezett szögek matematikai függvényében fejezik ki, szisztematikusan kombinálhatják három rétegből álló halmazokat, hogy kollektív tetraédereket hozzanak létre.
A kutatók ezután összehasonlították az eredményeket a fizika paritásmegőrző törvényein alapuló elvárásaikkal. Hou vezette ezt a lépést, elemezve a galaxisok hamis katalógusait, amelyeket az univerzum evolúciójának szimulálásával hoztak létre, apró, paritást megőrző sűrűségváltozásokból kiindulva. Ezekből a álkatalógusokból Hou és kollégái meg tudták állapítani, hogy a bal- és jobbkezes tetraéderek aránya miként változik véletlenszerűen, még egy tükörszimmetrikus világban is.
A csapat „hét szigma” szintű paritássértést talált a valós adatokban, ami azt jelenti, hogy a bal- és jobbkezes tetraéderek közötti egyensúlyhiány hétszer akkora, mint a véletlenszerű véletlen és más elképzelhető hibaforrások alapján várható volt.
Kamionkowski „hihetetlennek nevezte, hogy képesek voltak erre”, hozzátéve, hogy „technikailag ez teljesen elképesztő. Ez egy nagyon-nagyon-nagyon bonyolult elemzés.”
Philcox hasonló módszereket alkalmazott (és társszerzője volt néhány korábbi tanulmánynak, amelyek ilyen elemzést javasoltak Houval, Slepiannal és Cahnnal), de néhány eltérő döntést hozott – például a galaxisokat kevesebb rétegbe csoportosította, mint Hou és munkatársai, és kihagyott néhány problémát. tetraédereket az elemzésből – és ezért szerényebb, 2.9 szigmás paritássértést találtak. A kutatók most az elemzéseik közötti különbségeket tanulmányozzák. Az adatok megértésére tett nagy erőfeszítések után is minden fél óvatos marad.
Megerősítő bizonyíték
A meglepő felfedezés olyan új fizikára utal, amely potenciálisan választ adhat az univerzummal kapcsolatos régóta fennálló kérdésekre. De a munka még csak most kezdődött.
A fizikusoknak először ellenőrizniük kell (vagy meg kell hamisítaniuk) a megfigyelést. Már folynak új, ambiciózus galaxisfelmérések, amelyeken meg kell ismételni az elemzést. A folyamatban lévő Dark Energy Spectroscopic Instrument felmérés például eddig 14 millió galaxist regisztrált, és több mint 30 milliót fog tartalmazni, ha befejeződik. "Ez lehetőséget ad arra, hogy ezt sokkal részletesebben, sokkal jobb statisztikákkal nézzük meg" - mondta Cahn.
Bevezetés
Sőt, ha a paritást sértő jel valós, akkor a galaxisok eloszlásán kívül más adatokban is megjelenhet. Például az égbolt legrégebbi fénye – a kozmikus mikrohullámú háttérként ismert sugárzásfürdő, amely a korai univerzumból megmaradt – a legkorábbi pillanatképet nyújtja a kozmosz térbeli változásairól. Ennek a fénynek a foltos mintázatának ugyanazokat a paritássértő összefüggéseket kell tartalmaznia, mint a később kialakult galaxisok. A fizikusok szerint ilyen jelet a fényben is meg kell találni.
Egy másik hely, amelyet érdemes megnézni, a gravitációs hullámok mintázata, amely az infláció során keletkezhetett, amelyet sztochasztikus gravitációs hullámháttérnek neveznek. Ezek a dugóhúzó-szerű hullámok a téridő szövetben lehetnek jobb- vagy balkezesek, és egy paritásmegőrző világban mindegyikből egyenlő mennyiségben lennének. Tehát ha a fizikusoknak sikerül felmérniük ezt a hátteret, és úgy találják, hogy az egykezűséget előnyben részesítik, akkor ez a paritássértő fizika egyértelmű, független ellenőrzése lenne a korai univerzumban.
Amint a megerősítő bizonyítékok keresése megkezdődik, a teoretikusok olyan inflációs modelleket fognak tanulmányozni, amelyek a jelet létrehozhatták. Val vel Giovanni Cabass, a Philcox-i Princetonban, a New Jersey állambeli Advanced Study Intézet elméleti fizikusa a közelmúltban használta mérését, hogy tesztelj egy csomó paritássértő modellt az infláció, beleértve a Chern-Simons típusúakat is. (Még nem tudják biztosan megmondani, hogy melyik modell a helyes, ha van ilyen.)
Alexander szintén a Chern-Simons gravitáció megértésére összpontosította erőfeszítéseit. Olyan munkatársakkal, mint Kamionkowski és Cyril Creque-Sarbinowski A Flatiron Intézet Számítógépes Asztrofizikai Központjában Alexander elkezdett finom részleteket kidolgozni arról, hogy a korai univerzumban a Chern-Simons gravitáció hogyan befolyásolja a mai galaxisok eloszlását.
„Olyan voltam, mint a magányos katona, aki ezt a cuccot löki egy ideig” – mondta. – Jó látni, hogy az emberek érdeklődnek.
A szerkesztő megjegyzése: A Flatiron Intézetet a Simons Alapítvány finanszírozza, amely szintén támogatja ezt a szerkesztőileg független magazint. Ezenkívül Oliver Philcox a Simons Alapítványtól kap támogatást.
