Łamanie symetrii w „galaktycznych czworościanach” związane z naruszeniem parzystości – Świat Fizyki

Łamanie symetrii w „galaktycznych czworościanach” związane z naruszeniem parzystości – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 13 czerwca 2023 9:58

Galaktyki JWST
Naruszenie parzystości: zdjęcie galaktyk wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Astronomowie znaleźli dowody na to, że naruszenie parzystości we wczesnym Wszechświecie wpływa na dzisiejsze rozmieszczenie galaktyk. (Dzięki uprzejmości: NASA/ESA/CSA/JWST)

Astronomowie w USA odkryli nieoczekiwaną asymetrię we względnych pozycjach galaktyk, które mają setki milionów światła-lat różnicy. Zjawisko to można wytłumaczyć złamaniem symetrii praw natury, które, jak się uważa, nastąpiło wkrótce po Wielkim Wybuchu. W rezultacie obserwacja może pomóc wyjaśnić, dlaczego w obserwowalnym wszechświecie wydaje się, że jest znacznie więcej materii niż antymaterii.

Odkrycia dokonano poprzez analizę bazy danych zawierającej ponad milion galaktyk zaobserwowanych przez teleskop Badanie spektroskopowe oscylacji barionu (SZEF). Badania przeprowadził Jiamina Hou i Zachary Ślepian na Uniwersytecie Florydy i Roberta Cahna w Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii, który odkrył nieoczekiwany wzór.

Obserwacja jest związana z symetrią parzystości, która dotyczy długodystansowych oddziaływań elektromagnetycznych i grawitacyjnych w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych. Parzystość wymaga, aby system fizyczny zachowywał się w taki sam sposób, jak jego lustrzane odbicie. Na przykład ludzkie ręce są swoimi lustrzanymi odbiciami, ale prawa fizyki odnoszą się w równym stopniu do prawej i lewej ręki.

Naruszenie parzystości

Jednak w świecie mikroskopowym symetria parzystości może zostać naruszona przez oddziaływanie słabe i prawdopodobnie przez oddziaływanie silne, które działają na bardzo małe odległości.

Trio badało symetrię parzystości na bardzo dużą skalę, rysując linie pomiędzy poczwórnymi galaktykami oddzielonymi odległościami od 65 milionów do 500 milionów światła-lata. Jak wykazali w niedawnym artykule w Physical Review Letters, czworościany utworzone w tym ćwiczeniu można następnie przeanalizować pod kątem dowodów naruszenia parzystości.

Teraz ogłaszają wynik takiego badania, który Slepian określa jako „wielką niespodziankę”.

Zespół zdefiniował prawo- i lewoskrętne czworościany galaktyczne na podstawie sposobu, w jaki galaktyki są połączone z najbliższymi i najdalszymi partnerami. Odkryli, że galaktyk z jednym typem ręczności było znacznie więcej niż z drugim.

Czworościany galaktyczne

„Dla dowolnego rozkładu galaktyk zakładamy, że skupienie jest niezmienne w przypadku rotacji wokół dowolnej galaktyki” – wyjaśnia Slepian. „Tak więc, jeśli siedzę w jednej galaktyce, powinienem zobaczyć, że wzór skupień jest średnio taki sam, gdziekolwiek obrócę głowę i spojrzę. Jednak zamiast tego widzimy nadmiar czworościanów nad ich lustrzanymi odbiciami.”

Pomimo siły efektu, przyczyna tej ręczności pozostaje tajemnicą. Grawitacja jest jedyną znaną siłą, która może działać na ogromnych odległościach dzielących galaktyki i nie powinna naruszać parzystości. Zamiast tego Slepian twierdzi, że asymetria „musiała zostać odciśnięta jeszcze wcześniej w historii wszechświata, kiedy w grę wchodziły inne siły”.

To prowadzi nas aż do okresu kosmicznej inflacji, która miała miejsce około 10 r-33 jest po Wielkim Wybuchu. W tym momencie Wszechświat doświadczył krótkiego okresu niezwykle szybkiej ekspansji. Fizycy uważają, że od tego czasu fluktuacje kwantowe podczas inflacji rozszerzyły się, stając się wielkoskalową strukturą Wszechświata. Dlatego każde naruszenie parytetu występujące podczas inflacji może odcisnąć piętno na rozmieszczeniu galaktyk we wszechświecie 13.7 miliarda lat później.

 Pochodzenie tego naruszenia parytetu pozostaje nieznane. „Mogła to być nowa siła lub nowa cząstka działająca wówczas w skali kwantowej” – mówi Slepian.

Brakująca antymateria

Ta potencjalna obserwacja naruszenia parzystości w rozmieszczeniu galaktyk jest ekscytującą wiadomością. Oprócz sugerowania istnienia fizyki poza Modelem Standardowym, może również pomóc w rozwiązaniu innej z najgłębszych tajemnic fizyki: dlaczego we wszechświecie jest znacznie więcej materii niż antymaterii.

Model Standardowy przewiduje, że w Wielkim Wybuchu powinny powstać równe ilości materii i antymaterii. Gdyby tak się stało, materia i antymateria unicestwiłyby się nawzajem, pozostawiając wszechświat bez żadnego z nich. Na szczęście dla nas wydaje się, że pozostał nadmiar materii – zjawisko zwane bariogenezą.

Możliwe, że mechanizm, który spowodował naruszenie parzystości, które doprowadziło do tej najnowszej obserwacji astronomicznej, może być również powiązany z bariogenezą.

„Istnieje szereg mechanizmów, które mogą powodować naruszenie parytetu, a wszystkie mają charakter spekulacyjny” – mówi Slepian. Przytacza hipotetyczne cząstki zwane aksjonami, czyli jedną z podstawowych sił zachowującą się inaczej w wysokich energiach Wielkiego Wybuchu. „Chociaż nie ma gwarancji, że jakikolwiek mechanizm powodujący naruszenie parzystości w galaktykach może również wyjaśniać bariogenezę, myślę, że z pewnością może istnieć związek”.

Chociaż istnienie tej galaktycznej asymetrii nie zostało ustalone ponad wszelką wątpliwość, odkrycia dostarczają mocnych dowodów na inflację i fizykę wykraczającą poza Model Standardowy. Za obserwację może jednak odpowiadać błąd systematyczny w danych. „Poczuję się znacznie lepiej, gdy ten sam sygnał zostanie zobaczony w innym zestawie danych zarejestrowanych przez inny instrument, z innym oprogramowaniem i przez różnych ludzi” – mówi Slepian.

Slepian, Hou i Cahn są członkami zespołu naukowego Instrument spektroskopowy ciemnej energii Energy (DESI) w Obserwatorium Narodowym Kitt Peak. Będzie obserwować ponad 35 milionów galaktyk, a trio zamierza wykorzystać DESI do przeprowadzenia dalszych obserwacji w celu potwierdzenia swoich odkryć.

Wyniki opisano w Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki