개요
물리학자들은 하늘의 은하 배열에서 놀라운 비대칭성을 발견했다고 믿고 있습니다. 만약 확인된다면, 그 발견은 빅뱅 동안 작동했던 알려지지 않은 기본 법칙의 특징을 가리킬 것입니다.
"이 결과가 사실이라면 누군가는 노벨상을 받을 것"이라고 말했다. 마크 카미온코프스키, 분석에 참여하지 않은 Johns Hopkins University의 물리학 자.
마치 Connect the Dots라는 우주 게임을 하는 것처럼 연구자들은 네 개의 은하 집합 사이에 선을 그어 사면체라고 하는 네 모서리 모양을 구성했습니다. 백만 개의 은하 목록에서 가능한 모든 사면체를 만들었을 때 그들은 한 방향으로 향하는 사면체가 거울 이미지보다 많다는 것을 발견했습니다.
XNUMX면체와 그 거울상 사이의 불균형에 대한 힌트가 먼저 발견되었습니다. 신고 by 올리버 필콕스뉴욕 컬럼비아 대학의 천체물리학자인 물리적 검토 D XNUMX월에. 현재 동료 평가를 받고 있는 동시에 수행된 독립적인 분석에서, 허우 지아민 과 재커리 슬레피안 플로리다 대학의 로버트 칸 로렌스 버클리 국립 연구소 탐지 된 물리학자들이 일반적으로 확정적이라고 생각하는 통계적 확실성 수준의 비대칭성.
그러나 그러한 블록버스터 발견과 아직 검토 중인 연구 결과에 대해 전문가들은 주의가 필요하다고 말합니다.
"그들이 실수를 저질렀다는 명백한 이유가 없다"고 말했다. 숀 호치키스, 오클랜드 대학교의 우주론자. "그렇다고 실수가 없다는 뜻은 아닙니다."
추정되는 불균형은 왼쪽과 오른쪽의 등가인 "패리티"라는 대칭을 위반합니다. 관찰이 면밀한 조사를 견뎌낸다면, 물리학자들은 그것이 우리 우주에서 발전한 모든 구조의 씨앗을 뿌린 원시 과정에서 알려지지 않은 패리티 위반 요소를 반영해야 한다고 생각합니다.
Kamionkowski는 "놀라운 결과입니다. 정말 인상적입니다."라고 말했습니다. “믿습니까? 나는 정말로 축하할 때까지 기다릴 것이다.”
왼손잡이 우주
패리티는 한때 물리학의 소중한 대칭이었습니다. 그러나 1957년 중국계 미국인 물리학자 우젠셩의 핵붕괴 실험은 공개 우리 우주는 실제로 그것에 약간의 손이 있다는 것입니다. 핵붕괴를 일으키는 약한 핵력에 관여하는 아원자 입자는 항상 그들이 이동하는 방향과 반대 방향으로 자기적으로 향합니다. -나사. 오른쪽 나사와 같은 거울 이미지 입자는 약한 힘을 느끼지 않습니다.
우의 폭로는 충격적이었다. 물리학자 존 블랫은 볼프강 파울리에게 보낸 편지에서 "우리 모두는 사랑하는 친구인 패리티의 죽음에 다소 충격을 받았습니다."라고 썼습니다.
약한 힘의 왼손잡이는 은하계의 우주에 영향을 미칠 수 없는 미묘한 영향을 미칩니다. 그러나 Wu의 발견 이후 물리학자들은 우주가 거울상과 다른 다른 방식을 모색해 왔습니다.
예를 들어 우주가 초기 단계에 있을 때 어떤 원시적 패리티 위반이 있었다면 우주 구조에 왜곡을 각인했을 수 있습니다.
우주가 탄생할 때 또는 그 즈음에 인플레이톤(inflaton)으로 알려진 장이 공간에 스며들었다고 생각됩니다. 인플레이톤 입자가 지속적으로 거품을 일으키고 사라지는 끓고 끓는 매체, 인플레이톤 필드도 반발했습니다. 그것이 존재했을지도 모르는 짧은 시간 동안, 그것은 우리 우주가 원래 크기의 100조 배로 빠르게 확장되게 했을 것입니다. 인플레이톤 필드에 있는 입자의 모든 양자 변동은 외부로 던져져 우주로 얼어붙어 물질 밀도의 변화가 되었습니다. 밀도가 더 높은 주머니는 계속해서 중력적으로 합쳐져 오늘날 우리가 보는 은하와 대규모 구조를 생성했습니다.
1999년 Kamionkowski를 비롯한 연구원들은 고려 이 폭발 전에 하나 이상의 필드가 존재한다면 어떻게 될까요? 인플레이톤 필드는 오른손잡이 및 왼손잡이 입자를 생성할 수 있는 다른 필드와 상호 작용할 수 있습니다. 인플레이톤이 오른손잡이 입자를 왼손잡이 입자와 다르게 처리하면 한 손잡이 입자를 다른 손잡이보다 우선적으로 생성했을 수 있습니다. 이 소위 Chern-Simons 결합은 은하의 왼손잡이와 오른손잡이 사면체 배열의 불균형으로 진화했을 선호하는 손잡이로 초기 양자 요동을 스며들게 했을 것입니다.
추가 필드가 무엇인지에 대해 한 가지 가능성은 중력장입니다. 이 시나리오에서 패리티 위반 Chern-Simons 상호 작용은 인플레이션 중에 중력장에서 튀어 나온 인플레이톤 입자와 중력자(중력의 양자 단위) 사이에서 발생합니다. 그러한 상호 작용은 초기 우주의 밀도 변화에 손을 만들었을 것이며, 결과적으로 오늘날의 대규모 구조에 영향을 미쳤을 것입니다.
개요
2006년에 스테판 알렉산더, 현재 브라운 대학의 물리학자, 추천 Chern-Simons 중력은 우주론에서 가장 큰 미스터리 중 하나인 우주가 반물질보다 더 많은 물질을 포함하는 이유를 잠재적으로 풀 수 있습니다. 그는 Chern-Simons 상호 작용이 상대적으로 풍부한 왼손잡이 중력자를 생성할 수 있으며, 그러면 오른손 반물질보다 왼손잡이 물질을 우선적으로 생성할 것이라고 추측했습니다.
Alexander의 아이디어는 수년 동안 상대적으로 모호했습니다. 그는 새로운 발견에 대해 들었을 때 "그것은 정말 놀라운 일이었습니다."라고 말했습니다.
하늘의 사면체
Cahn은 초기 우주에서 패리티 위반으로 물질-반물질 비대칭 퍼즐을 풀 가능성이 "추측적이지만 도발적"이라고 생각했습니다. 2019년에 그는 Sloan Digital Sky Survey의 은하 카탈로그에서 패리티 위반을 찾기로 결정했습니다. 그는 아무것도 찾을 것이라고 기대하지 않았지만 확인할 가치가 있다고 생각했습니다.
은하 분포가 패리티를 준수하는지 위반하는지 테스트하기 위해 그와 그의 동료들은 3개 은하의 사면체 배열을 연구해야 한다는 것을 알았습니다. 사면체는 가장 단순한 3차원 형태이고 2차원 물체만이 패리티를 위반할 가능성이 있기 때문입니다. 이것을 이해하려면 손을 고려하십시오. 손은 XNUMXD이기 때문에 왼쪽 손을 회전시켜 오른쪽처럼 보이게 할 방법이 없습니다. 양손의 엄지손가락이 왼쪽에 오도록 왼손을 뒤집고 손은 여전히 다르게 보입니다. 손바닥은 반대 방향을 향합니다. 반대로 종이에 왼손을 따라 XNUMXD 이미지를 오려내면 오려낸 부분을 뒤집으면 오른손처럼 보입니다. 컷아웃과 미러 이미지는 구별할 수 없습니다.
2020년에 Slepian과 Cahn은 하늘에서 왼손잡이와 오른손잡이의 수를 비교하기 위해 은하의 사면체 배열의 "handedness"를 정의하는 방법을 제시했습니다. 먼저 그들은 하나의 은하를 가지고 다른 세 개의 은하까지의 거리를 조사했습니다. 오른 나사처럼 시계 방향으로 거리가 증가하면 정사면체를 오른 손잡이라고 불렀습니다. 시계 반대 방향으로 거리가 늘어나면 왼손잡이였다.
우주 전체가 선호하는 손잡이를 가지고 있는지 확인하기 위해 그들은 1만 개의 은하 데이터베이스에서 구축한 모든 사면체에 대한 분석을 반복해야 했습니다. 한 번에 하나씩 처리하기에는 다루기 힘든 목록인 이러한 사면체가 거의 1조 조 개에 이릅니다. 그러나 인수분해 트릭은 초기 작업 한 번에 하나의 사면체를 조립하고 그 패리티를 결정하는 대신 각 은하를 차례로 선택하고 해당 은하와의 거리에 따라 다른 모든 은하를 그룹화할 수 있습니다. 양파의 층과 같은 층을 만듭니다. 구면 고조파라는 각도의 수학적 함수로 각 층에서 은하의 상대적인 위치를 표현함으로써 세 개의 층 세트를 체계적으로 결합하여 집단적인 사면체를 만들 수 있었습니다.
그런 다음 연구자들은 결과를 패리티 보존 물리 법칙에 기반한 기대치와 비교했습니다. Hou는 패리티를 보존하는 작은 밀도 변화에서 시작하여 우주의 진화를 시뮬레이션하여 생성된 은하의 가짜 카탈로그를 분석하여 이 단계를 이끌었습니다. 이러한 모의 카탈로그에서 Hou와 그녀의 동료는 거울 대칭 세계에서도 왼손 및 오른손 사면체의 집계가 무작위로 어떻게 변하는지 확인할 수 있었습니다.
팀은 실제 데이터에서 "XNUMX-시그마" 수준의 패리티 위반을 발견했습니다. 즉, 왼손잡이와 오른손잡이 사면체 사이의 불균형이 임의의 기회 및 기타 생각할 수 있는 오류 원인에서 예상할 수 있는 것보다 XNUMX배 더 컸습니다.
Kamionkowski는 "그들이 그렇게 할 수 있었다는 것이 놀랍다"고 말하면서 "기술적으로는 정말 놀랍습니다. 정말, 정말, 정말 복잡한 분석입니다.”
Philcox는 유사한 방법을 사용했지만(Hou, Slepian 및 Cahn과 함께 그러한 분석을 제안하는 일부 초기 논문을 공동 저술했습니다), 그는 몇 가지 다른 선택을 했습니다. 분석에서 2.9면체 — 따라서 패리티에 대한 보다 온건한 XNUMX-시그마 위반을 발견했습니다. 연구원들은 현재 분석 간의 차이점을 연구하고 있습니다. 데이터를 이해하기 위해 광범위한 노력을 기울인 후에도 모든 당사자는 신중을 기합니다.
증거 확증
놀라운 발견은 우주에 대한 오랜 질문에 잠재적으로 답할 수 있는 새로운 물리학을 암시합니다. 그러나 작업은 이제 막 시작되었을 뿐입니다.
첫 번째 물리학자는 관찰을 확인(또는 위조)해야 합니다. 분석을 반복하기 위한 새롭고 야심찬 은하 조사가 이미 진행 중입니다. 예를 들어 진행 중인 암흑 에너지 분광기 조사에서는 지금까지 14만 개의 은하를 기록했으며 완료되면 30만 개 이상을 포함할 것입니다. "그것은 우리에게 훨씬 더 나은 통계로 훨씬 더 자세히 볼 수 있는 기회를 줄 것입니다."라고 Cahn은 말했습니다.
개요
또한, 패리티 위반 신호가 실제라면 은하 분포 이외의 데이터에 나타날 수 있습니다. 예를 들어 하늘에서 가장 오래된 빛(초기 우주에서 남겨진 우주 마이크로파 배경으로 알려진 방사선 욕)은 우주의 공간적 변화에 대한 가장 초기 스냅샷을 제공합니다. 이 빛의 얼룩진 패턴은 나중에 형성된 은하와 동일한 패리티 위반 상관 관계를 포함해야 합니다. 물리학자들은 빛에서 그러한 신호를 찾는 것이 가능해야 한다고 말합니다.
관찰할 또 다른 장소는 확률적 중력파 배경이라고 하는 인플레이션 중에 생성되었을 수 있는 중력파의 패턴입니다. 시공간 패브릭의 이러한 코르크 따개 모양의 잔물결은 오른손잡이 또는 왼손잡이일 수 있으며 패리티 보존 세계에서는 각각 동일한 양을 포함합니다. 그래서 물리학자들이 이 배경을 측정하고 한 손 사용이 선호된다는 것을 알게 된다면, 이것은 초기 우주에서 동등성을 위반하는 물리학에 대한 명확하고 독립적인 검사가 될 것입니다.
확증 증거에 대한 검색이 시작되면 이론가들은 신호를 생성할 수 있는 인플레이션 모델을 연구할 것입니다. 와 함께 조반니 카바스뉴저지주 프린스턴에 있는 고등연구소의 이론물리학자인 Philcox는 최근 자신의 측정값을 다음과 같이 사용했습니다. 수많은 패리티 위반 모델 테스트 Chern-Simons 유형을 포함한 인플레이션. (그들은 아직 어떤 모델이 올바른지 확실하게 말할 수 없습니다.)
Alexander는 또한 Chern-Simons 중력을 이해하는 데 집중했습니다. Kamionkowski와 시릴 크레크-사르비노프스키 Flatiron Institute의 전산 천체물리학 센터의 Alexander는 초기 우주의 Chern-Simons 중력이 오늘날 은하의 분포에 어떤 영향을 미쳤는지에 대한 미묘한 세부 사항을 연구하기 시작했습니다.
"나는 한동안 이 물건을 밀어붙이는 고독한 군인 같았다"고 그는 말했다. “사람들이 관심을 가져주는 모습이 보기 좋습니다.”
편집자 주: Flatiron Institute는 편집이 독립적인 이 잡지를 지원하는 Simons Foundation에서 자금을 지원합니다. 또한 Oliver Philcox는 Simons Foundation으로부터 자금을 지원받습니다.
