Порушення симетрії в «галактичних тетраедрах» пов’язане з порушенням парності – Physics World

Порушення симетрії в «галактичних тетраедрах» пов’язане з порушенням парності – Physics World

Мітка часу: 13 червня 2023 9:58

Галактики JWST
Порушення парності: зображення галактик, зроблене космічним телескопом Джеймса Вебба. Астрономи знайшли докази того, що порушення парності в ранньому Всесвіті впливає на розподіл галактик сьогодні. (Надано: NASA/ESA/CSA/JWST)

Астрономи в США виявили несподівану асиметрію у взаємному розташуванні галактик, які становлять сотні мільйонів світла-років окремо. Це явище можна пояснити порушенням симетрії законів природи, яке, як вважають, сталося незабаром після Великого вибуху. У результаті спостереження може допомогти пояснити, чому в спостережуваному Всесвіті виявляється набагато більше матерії, ніж антиматерії.

Відкриття було зроблено шляхом аналізу бази даних понад мільйон галактик, за якими спостерігав Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (БОС). Дослідження проводив Цзямін Хоу та Захарій Слепян в Університеті Флориди, і Роберт Кан в Національній лабораторії Лоуренса Берклі в Каліфорнії, який виявив несподівану закономірність.

Спостереження пов’язане з симетрією парності, яка застосовується до електромагнітних і гравітаційних взаємодій на великій відстані в Стандартній моделі фізики елементарних частинок. Парність вимагає, щоб фізична система поводилася так само, як її дзеркальне відображення. Людські руки, наприклад, є дзеркальним відображенням одна одної, але закони фізики однаково застосовуються до правої та лівої рук.

Порушення парності

Однак у мікроскопічному світі симетрія парності може бути порушена слабкою взаємодією і, можливо, сильною взаємодією, які обидві діють на дуже короткій відстані.

Трійця досліджувала симетрію парності в дуже великому масштабі, проводячи лінії між четвірками галактик, які розділені відстанями від 65 до 500 мільйонів світла-років. Як вони показали в нещодавній статті в Physical Review Letters,, тетраедри, створені цією вправою, можуть бути проаналізовані на предмет порушення парності.

Тепер вони повідомляють про результати такого дослідження, які Слепян описує як «великий сюрприз».

Команда визначила правий і лівосторонній галактичні тетраедри на основі того, як галактики були пов’язані зі своїми найближчими та найдальшими партнерами. Вони виявили, що існує значно більше галактик з одним типом рук, ніж з іншим.

Галактичні тетраедри

«Для будь-якого заданого розподілу галактик ми припускаємо, що кластеризація незмінна щодо обертання навколо будь-якої галактики», — пояснює Слепян. «Отже, якщо я сиджу в одній галактиці, я повинен побачити, що модель кластеризації в середньому однакова, куди б я не повернув голову й не подивився. Але натомість ми бачимо надлишок тетраедрів над їхніми дзеркальними відображеннями».

Незважаючи на силу ефекту, причина такої ручності залишається загадкою. Гравітація — єдина відома сила, яка може діяти на величезних відстанях, що розділяють галактики, і вона не повинна порушувати паритет. Натомість Слепян каже, що асиметрія «мабуть була закарбована ще раніше в історії Всесвіту, коли діяли інші сили».

Це повертає нас назад до періоду космічної інфляції, який стався близько 10 р-33 s після Великого вибуху. У цей момент Всесвіт пережив короткий період надзвичайно швидкого розширення. Фізики вважають, що квантові флуктуації під час інфляції з тих пір розширилися і стали великомасштабною структурою Всесвіту. Таким чином, будь-яке порушення паритету під час інфляції може вплинути на розподіл галактик у Всесвіті через 13.7 мільярдів років.

 Походження цього порушення паритету залишається невідомим. «Це могла бути нова сила або нова частинка, яка діяла в квантовому масштабі в той час», — каже Слепян.

Відсутня антиматерія

Це потенційне спостереження порушення паритету в тому, як розподілені галактики, є захоплюючою новиною. Крім припущення про існування фізики за межами Стандартної моделі, це також може допомогти вирішити ще одну з найглибших таємниць фізики: чому у Всесвіті набагато більше матерії, ніж антиматерії.

Стандартна модель передбачає, що рівна кількість матерії та антиматерії мала утворитися під час Великого вибуху. Якби це сталося, матерія та антиматерія знищили б одна одну, не залишивши у Всесвіті жодної. На щастя для нас, мабуть, залишився надлишок матерії – явище, яке називається баріогенезом.

Цілком можливо, що механізм, який спричинив порушення паритету, що призвело до цього останнього астрономічного спостереження, також міг бути пов’язаний з баріогенезом.

«Існує низка механізмів, які можуть спричинити порушення паритету, і всі вони досить спекулятивні», — каже Слепян. Він цитує гіпотетичні частинки, які називаються аксіонами, або однією з фундаментальних сил, які поводяться по-різному у високих енергіях Великого вибуху. «Хоча немає гарантії, що будь-який механізм, який викликає це порушення паритету в галактиках, також може пояснити баріогенез, я думаю, що це, безперечно, може бути зв’язок».

Хоча існування цієї галактичної асиметрії не було встановлено без жодних сумнівів, результати дають переконливі докази інфляції та фізики за межами Стандартної моделі. Однак систематична помилка в даних може бути причиною спостереження. «Я відчую себе набагато краще, коли той самий сигнал буде видно в іншому наборі даних, отриманих іншим інструментом з іншим програмним забезпеченням і іншими людьми», — каже Слепян.

Слепян, Хоу та Кан є членами наукової групи Спектроскопічний прилад темної енергії (DESI) в Національній обсерваторії Кітт-Пік. Він спостерігатиме понад 35 мільйонів галактик, і тріо має намір використовувати DESI для подальших спостережень, щоб підтвердити свої висновки.

Результати описані в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики