Odkrywanie tajemnicy otaczającej materię kosmiczną – Eurasia Review

Na początku swojej historii, krótko po Wielkim Wybuchu, wszechświat był wypełniony równymi ilościami materii i „antymaterii” – cząstek będących izotopami materii, ale o przeciwnym ładunku. Ale potem, w miarę rozszerzania się przestrzeni kosmicznej, wszechświat ochładzał się. Dzisiejszy świat jest pełen galaktyk i gwiazd zbudowanych z materii. Gdzie się podziała antymateria i jak materia zawładnęła wszechświatem? To kosmiczne pochodzenie materii nadal wprawia naukowców w zakłopotanie.

Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside i Uniwersytetu Tsinghua w Chinach otworzyli teraz nową ścieżkę do badania kosmicznego pochodzenia materii, nazywając „kosmicznym zderzaczem”.

Nie byle jaki zderzacz

Zderzacze wysokoenergetyczne, takie jak Wielki Zderzacz Hadronów, są zbudowane do wytwarzania niezwykle ciężkich subatomowych cząstek elementarnych, które mogą ujawnić nową fizykę. Ale niektóre nowe fizyki, takie jak ta, która wyjaśnia ciemną materię i pochodzenie materii, mogą obejmować znacznie cięższe cząstki i wymagać znacznie więcej energii, niż może dostarczyć zderzacz stworzony przez człowieka. Okazuje się, że wczesny wszechświat mógł być superzderzaczem.

Powszechnie uważa się, że kosmiczna inflacja, era, w której wszechświat rozszerzał się w coraz szybszym tempie, poprzedzała Wielki Wybuch, wyjaśnia Yano Koi, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim.

„Kosmiczna inflacja zapewniła bardzo energetyczne środowisko, umożliwiając produkcję nowych ciężkich cząstek oprócz ich interakcji” – powiedział Coy. „Wszechświat inflacyjny zachowywał się jak kosmiczny zderzacz, z tym wyjątkiem, że energia była do 10 miliardów razy większa niż jakikolwiek zderzacz stworzony przez człowieka”.

Według Cui, mikroskopijne struktury powstałe w wyniku wydarzeń energetycznych podczas inflacji rozszerzały się wraz z rozszerzaniem się wszechświata, w wyniku czego w jednorodnym wszechświecie powstały regiony o różnej gęstości. Następnie te mikroskopijne struktury zasiały wielkoskalową strukturę naszego wszechświata, która dziś przejawia się w postaci rozmieszczenia galaktyk na niebie. Cui wyjaśnił, że nowa fizyka cząstek subatomowych może zostać ujawniona poprzez badanie sygnatury Kosmicznego Zderzacza w dzisiejszej zawartości Wszechświata, takiej jak galaktyki i kosmiczne mikrofalowe tło.

Cui i Zhong-Zhi Xianyu, adiunkt fizyki na Uniwersytecie Tsinghua, relacjonują w czasopiśmie fizyczne wiadomości przeglądowe Dzięki zastosowaniu fizyki Kosmicznego Zderzacza i wykorzystaniu dokładnych danych do pomiaru struktury naszego wszechświata z nadchodzących eksperymentów, takich jak SPHEREx i tomografia liniowa 21 cm, można odkryć tajemnicę kosmicznego pochodzenia materii.

„Fakt, że nasz obecny wszechświat jest zdominowany przez materię, pozostaje jedną z najstarszych zagadek współczesnej fizyki” – powiedział Coy. „Subtelna nierównowaga lub asymetria między materią a antymaterią we wczesnym wszechświecie jest wymagana, aby osiągnąć dziś dominację materii, ale nie można tego osiągnąć w znanych ramach fizyki fundamentalnej”.

Skład leptogenezy na ratunek

Cui i Xianyu sugerują przetestowanie hematopoezy, dobrze znanego mechanizmu wyjaśniającego pochodzenie asymetrii barionów – gazu i widocznych gwiazd – w naszym wszechświecie. Gdyby wszechświat rozpoczął się z równymi ilościami materii i antymaterii, unicestwiłyby się nawzajem w promieniowaniu fotonowym, nie pozostawiając niczego po sobie. Ponieważ materia znacznie przekracza dzisiejszą antymaterię, asymetria jest wymagana do wyjaśnienia braku równowagi.

„Proces powstawania leptyny jest jednym z najpilniejszych mechanizmów generowania asymetrii materia-antymateria” – powiedział Coy. „Zawiera nową fundamentalną cząstkę, prawoskrętne neutrino. Jednak od dawna uważano, że testowanie tworzenia leptyny jest prawie niemożliwe, ponieważ masa prawoskrętnego neutrina jest zwykle w dużych ilościach przekraczająca moc największej energii zderzacz, jaki kiedykolwiek zbudowano, Wielki Zderzacz Hadronów. ”

Nowa praca proponuje przetestowanie formowania okrążeń poprzez dekodowanie szczegółowych właściwości statystycznych rozkładu przestrzennego obiektów w obserwowanej dzisiaj strukturze kosmicznej, przypominającej fizykę mikroskopową podczas kosmicznej inflacji. Naukowcy twierdzą, że wpływ Kosmicznego Zderzacza umożliwia produkcję superciężkich, prawoskrętnych neutrin w erze inflacji.

„W szczególności pokazujemy, że warunki wstępne generowania asymetrii, w tym oddziaływania i masy prawego neutrina, które jest tutaj kluczowym graczem, mogą pozostawić wyraźne ślady w statystykach przestrzennego rozmieszczenia galaktyk lub kosmicznego mikrofalowego tła i można dokładnie zmierzyć” – powiedział Coy. „Obserwacje astrofizyczne spodziewane w nadchodzących latach mogą wykryć takie sygnały i ujawnić kosmiczne pochodzenie materii”.

Cui był wspierany w badaniach grantem Departamentu Energii USA.

Tytuł pracy to „Badanie leptogenezy za pomocą kosmicznego zderzacza”.