Symmetribrott i "galaktiska tetraeder" kopplat till paritetsbrott - Physics World

Symmetribrott i "galaktiska tetraeder" kopplat till paritetsbrott - Physics World

Tidsstämpel: 13 juni 2023 9:58

JWST-galaxer
Paritetsöverträdelse: bild av galaxer tagen av rymdteleskopet James Webb. Astronomer har hittat bevis för att paritetsbrott i det tidiga universum påverkar fördelningen av galaxer idag. (Med tillstånd: NASA/ESA/CSA/JWST)

Astronomer i USA har upptäckt en oväntad asymmetri i de relativa positionerna för galaxer som är hundratals miljoner ljus-år ifrån varandra. Fenomenet skulle kunna förklaras av ett brytande av symmetrin i naturlagarna som tros ha inträffat strax efter Big Bang. Som ett resultat kan observationen hjälpa till att förklara varför det verkar finnas mycket mer materia än antimateria i det observerbara universum.

Upptäckten gjordes genom att analysera en databas med över en miljon galaxer som observerats av Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (CHEF). Undersökningen gjordes av Jiamin Hou och Zachary Slepian vid University of Florida, och Robert Cahn vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien, som hittade det oväntade mönstret.

Observationen är relaterad till paritetssymmetri, som gäller de långväga elektromagnetiska och gravitationella interaktionerna i standardmodellen för partikelfysik. Paritet kräver att ett fysiskt system kommer att bete sig på samma sätt som dess spegelbild. Människohänder, till exempel, är spegelbilder av varandra men fysikens lagar gäller lika för höger och vänster händer.

Paritetsbrott

I den mikroskopiska världen kan paritetssymmetri dock kränkas av den svaga interaktionen och möjligen av den starka interaktionen – som båda verkar på mycket korta avstånd.

Trion utforskade paritetssymmetri i mycket stor skala genom att rita linjer mellan fyrlingar av galaxer som är åtskilda av avstånd mellan 65 miljoner och 500 miljoner ljus-år. Som de visade i en ny tidning i Fysiska granskningsbrev, kan tetraedrarna som skapas av denna övning sedan analyseras för bevis på paritetsöverträdelse.

Nu rapporterar de resultatet av en sådan studie, som Slepian beskriver som en "stor överraskning".

Teamet definierade höger- och vänsterhänta galaktiska tetraeder baserat på hur galaxer var kopplade till sina närmaste och längsta partner. De fann att det fanns betydligt fler galaxer med en typ av handenhet än den andra.

Galaktiska tetraeder

"För varje given galaxfördelning antar vi att klustringen är invariant under rotation kring vilken galax som helst", förklarar Slepian. "Så, om jag sitter i en galax borde jag se att mönstret för klustring i genomsnitt är detsamma var jag än vrider på huvudet och tittar. Men istället ser vi ett överskott av tetraedrar över deras spegelbilder."

Trots effektens styrka förblir orsaken till denna handenhet ett mysterium. Tyngdkraften är den enda kända kraften som kan verka över de enorma avstånden som skiljer galaxerna åt, och den bör inte bryta mot pariteten. Istället säger Slepian att asymmetrin "måste ha präglats ännu tidigare i universums historia när andra krafter var i spel".

Detta tar oss hela vägen tillbaka till perioden av kosmisk inflation, som inträffade omkring 10-33 efter Big Bang. Vid denna tidpunkt upplevde universum en kort period av extremt snabb expansion. Fysiker tror att kvantfluktuationer under inflationen sedan dess har expanderat till att bli universums storskaliga struktur. Därför kan varje paritetsöverträdelse som finns under inflationen bli inpräntat i hur galaxer är fördelade i universum 13.7 miljarder år senare.

 Ursprunget till denna paritetsöverträdelse är fortfarande okänt. "Det kunde ha varit en ny kraft, eller en ny partikel, som verkade på en kvantskala vid den tiden", säger Slepian.

Saknar antimateria

Denna potentiella observation av paritetsbrott i hur galaxer är fördelade är spännande nyheter. Förutom att antyda att det finns fysik bortom standardmodellen, kan det också hjälpa till att lösa ett annat av fysikens djupaste mysterier: varför finns det mycket mer materia än antimateria i universum.

Standardmodellen förutspår att lika mängder materia och antimateria borde ha bildats i Big Bang. Hade det hänt skulle materia och antimateria ha utplånat varandra och lämnat universum med ingendera. Lyckligtvis för oss verkar det ha blivit ett överskott av materia över – ett fenomen som kallas baryogenes.

Det är möjligt att mekanismen som orsakade paritetsbrott som ledde till denna senaste astronomiska observation också kan relateras till baryogenes.

"Det finns en rad mekanismer som kan orsaka paritetsbrott, alla ganska spekulativa", säger Slepian. Han citerar hypotetiska partiklar som kallas axioner, eller en av de grundläggande krafterna som beter sig annorlunda i Big Bangs höga energier. "Även om det inte är garanterat att vilken mekanism som helst som producerar denna paritetsöverträdelse i galaxerna också kan förklara baryogenes, tror jag att det verkligen kan finnas ett samband."

Även om förekomsten av denna galaktiska asymmetri inte har fastställts utom allt tvivel, ger resultaten starka bevis för inflation och fysik bortom standardmodellen. Ett systematiskt fel i uppgifterna kan dock vara ansvarigt för observationen. "Jag kommer att må mycket bättre när samma signal ses i en annan datauppsättning som tagits av ett annat instrument med annan programvara och olika människor", säger Slepian.

Slepian, Hou och Cahn är alla medlemmar i vetenskapsteamet Mörkt energi spektroskopiskt instrument (DESI) vid Kitt Peak National Observatory. Den kommer att observera över 35 miljoner galaxer, och trion avser att använda DESI för att göra ytterligare observationer för att bekräfta deras fynd.

Resultaten beskrivs i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden