Astronomi

Matter Anti Matter Asymmetry

Matter Anti Matter Asymmetry


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Sagen anti-materiel asymmetri er stadig et mysterium, der stadig ikke kan forklares. Men hvad hvis der ikke var en asymmetri? Er det ikke muligt, at der var nøjagtigt lige store mængder stof og antimateriale, som faktisk udslettede hinanden, og at den energi, der blev frigivet derfra, blev omdannet til masse? Jeg ved, at dette opstår en masse paradokser, som hvis ja, hvilken form for stof er alt det. Jeg gætter på, hvad jeg virkelig vil vide mere om er, efter en materie- og anti-materie-kollision, hvilken slags stof der kan dannes (eller rettere konverteres) fra det resulterende energiudbrud?


Mange produkter er skabt af Matter og Anti Matter kollision, men afhænger af, hvad der er antimateriale, der er tilintetgørende. Eksempel på elektron og et positronudslettelse opretter 2 fotoner. Proton-anti-proton-udslettelse producerer så mange som ni mesoner er observeret. Hvis der var lige store mængder stof og antimateriale i starten, ville vi nu se store mængder gammastråler ved grænsen mellem områder af stof og antimateriale. Som vi ikke observerer. Det er mit svar.


Energi kan faktisk omdannes til stof - for eksempel parproduktion; men dette skaber lige store mængder stof og antimateriale.


ALPHA-samarbejdsforskere har med succes laserkølet antimateriale hydrogenatomer

Panorama i CERN Antiproton Decelerator-salen, der indeholder flere eksperimenter, herunder ALPHA (Billede: CERN).

ALPHA-samarbejdet rapporterede om den første vellykkede afkøling af atomantimateriale ved hjælp af ultraviolet lys i Nature's bind 1. april 2021. Denne præstation, som vil muliggøre en mere præcis bestemmelse af egenskaberne af antihydrogen og muligvis den første måling af tyngdekraften på antimateriale, resulterede fra et årti lang udvikling i fangst af antimateriagebrint og inden for laserteknologi. Indtil i dag er tyngdekraften på antimateriale aldrig blevet målt, så ALPHA-forskere er begejstrede over udsigten til at bestemme tyngdekraften på koldt antimaterialebrint. Også ved mere nøjagtigt at måle egenskaberne ved antimaterialebrint håber ALPHA-forskere at bidrage til at forstå materien-antimaterie-asymmetrien i universet.

Dr. Francis Robicheaux, professor ved Institut for Fysik og Astronomi ved Purdue University, var involveret i denne forskning som en del af ALPHA-samarbejdet siden 2005. Antimaterialebrintatomer, der først blev fanget af ALPHA-samarbejdet i 2010, er ideelle til mange undersøgelser på grund af til deres enkelhed, bestående af en antimateriale proton og en antimaterie elektron. Koldere atomer forbedrer målingerne kraftigt ved at bremse deres bevægelse. Afkøling af antimateriale ved at sætte det i kontakt med koldt stof fungerer dog ikke, fordi antimateriale udslettes, når det rører ved stof.

Robicheaux siger "Det var åbenlyst for mange, at laserkøling var en meget lovende metode." Laserkøling af almindelige atomer har været en vigtig teknik i mange laboratorier i 40 år. "I 2012, da jeg var professor ved Auburn University, en fantastisk bachelorforsker (Patrick Donnan), en kollega (Makoto Fujiwara fra Triumf), og jeg udførte store simuleringer af laserafkøling i ALPHA-antimateriale-fælden, og vi viste, at det var muligt at køle betydeligt. ALPHA-samarbejdet udviklede den laser, der kunne bruges til netop dette. Dette var et utroligt vanskeligt eksperiment på grund af begrænsningerne (temperaturer lige over absolut nul, enorme magnetfelter, laser med høj energi og mere), men de lykkedes at fjerne mere end 90% af energien fra det fangede antihydrogen, hvilket nedsætter dem betydeligt. "

Koldere antimateriale hydrogenatomer åbner muligheden for at måle tyngdekraften på antimateriale for første gang. De fleste forskere forventer, at tyngdekraften fungerer det samme for stof og antimaterie, men dette er aldrig blevet testet. Robicheaux forklarer, "for store genstande som os er tyngdekraften normalt den vigtigste kraft og let at måle. For små objekter er næsten alle kræfter meget større end tyngdekraften, hvilket betyder, at virkningerne fra tyngdekraften er svære at isolere. Hurtigt antihydrogen ville bare flyve ud af fælden i alle retninger, mens vi ønsker at se dem falde på grund af tyngdekraften, og det er en vigtig forbedring at sænke antihydrogen. "

Et andet mål med ALPHA-samarbejdet er at sammenligne egenskaber ved regelmæssige brintatomer med antimaterialebrint. Et kæmpe mysterium er universets stof-antimaterie-asymmetri. Næsten alt i universet er stof, mens vores nuværende forståelse af universet vil føre til sammenlignelige mængder stof og antimateriale. Robicheaux sagde, "ved at studere antimaterieversionen af ​​det enkleste atom, brint, med meget høj præcision, håber vi at få nogle antydninger om årsagen til denne grundlæggende kendsgerning." Koldere antihydrogen forbedrer i høj grad præcisionen, fordi de bevæger sig langsommere gennem måleområdet. Som en første test rapporterede ALPHA i Nature-artiklen, at den målte spredning i frekvenser faldt med ca. 4 gange for det laserafkølede antihydrogen.

Robicheaux har været professor ved Purdue University siden efteråret 2013 og er en teoretiker, der udfører computersimuleringer til situationer, der involverer atomer eller objekter i nanometerstørrelse. I øjeblikket samarbejder en Purdue-studerende, Andrew Gustafson (en Goldwater-lærd), med Robicheaux om antimatter-simuleringer. Robicheaux siger, "Andrews projekter ser på fremtiden for ALPHA-eksperimenter. Et projekt, som han allerede har afsluttet, forudsiger hvordan eksperimenter vil opføre sig med koldere antihydrogen. Jeg er sikker på, at hans resultater vil blive brugt i de næste par år til at forstå ALPHA-målinger . "

Dette arbejde understøttes af US National Science Foundation under tilskud nr. 1806380-PHY.

Skrevet af Cheryl Pierce med contritbutions fra Dr. Francis Robicheaux. Kontaktinfo her. & # 160 Info-side her.


Afslutning på stof-antimaterie-asymmetri: T2K-resultater begrænser mulige værdier af neutrino CP-fase

Pilen angiver den værdi, der er mest kompatibel med dataene. Den grå region er ugunstig på 99,7% konfidensniveau. Næsten halvdelen af ​​de mulige værdier er ekskluderet. Kredit: T2K-samarbejdet

T2K-samarbejdet har offentliggjort nye resultater, der viser den stærkeste begrænsning endnu på parameteren, der styrer afbrydelsen af ​​symmetrien mellem stof og antimateriale i neutrino-svingninger. Ved hjælp af stråler af muonneutrinoer og muonantineutrinoer har T2K undersøgt, hvordan disse partikler og antipartikler overgår til henholdsvis elektronneutrinoer og elektronantineutrinoer. Parameteren, der styrer materien / antimaterie-symmetrien, der bryder i neutrino-svingning, kaldet δcp fase, kan tage en værdi fra -180º til 180º. For første gang har T2K disfavoreret næsten halvdelen af ​​de mulige værdier ved 99,7% (3σ) konfidensniveau og begynder at afsløre en grundlæggende egenskab af neutrinoer, der ikke er blevet målt indtil nu. Dette er et vigtigt skridt på vejen til at vide, om neutrinoer og antineutrinoer opfører sig anderledes. Disse resultater, ved hjælp af data indsamlet gennem 2018, er blevet offentliggjort i det tværfaglige videnskabelige tidsskrift, Natur den 16. april.

For de fleste fænomener giver fysikens love en symmetrisk beskrivelse af opførsel af stof og antimateriale. Imidlertid gælder denne symmetri ikke universelt. Effekten af ​​asymmetrien mellem stof og antimaterie er mest tydelig i observationen af ​​universet, som er sammensat af stof med lidt antimateriale. Det anses for, at der blev skabt lige store mængder stof og antimateriale i begyndelsen af ​​universet. For at universet derefter skal udvikle sig til en tilstand, hvor stof dominerer over antimateriale, er en nødvendig betingelse krænkelse af den såkaldte Charge-Parity (CP) symmetri. Indtil nu er CP-symmetriovertrædelse kun observeret i fysik af subatomære partikler kaldet kvarker, men størrelsen af ​​CP-symmetriovertrædelsen er ikke stor nok til at forklare den observerede dominans af stof over antimateriale i universet. T2K søger nu efter en ny kilde til CP-symmetriovertrædelse i neutrino-svingninger, der vil manifestere sig som en forskel i den målte svingnings sandsynlighed for neutrinoer og antineutrinoer.

T2K-eksperimentet bruger en stråle, der primært består af muonneutrinoer eller muonantineutrinoer oprettet ved hjælp af protonstrålen fra Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), der ligger i landsbyen Tokai på Japans østkyst. En lille brøkdel af neutrinoerne (eller antineutrinoer) opdages 295 km væk ved Super-Kamiokande-detektoren, der ligger under et bjerg i Kamioka, nær Japans vestkyst. Da muonneutrinoer og muonantineutrinoer krydser afstanden fra Tokai til Kamioka (deraf navnet T2K), vil en fraktion svinge eller ændre smag til henholdsvis elektronneutrinoer eller elektronantineutrinoer. Elektronneutrinoerne og elektronantineutrinoerne identificeres i Super-Kamiokande-detektoren ved de ringe af Cherenkov-lys, som de producerer (vist nedenfor). Mens Super-Kamiokande ikke kan identificere hver begivenhed som en neutrino- eller antineutrino-interaktion, er T2K i stand til at studere neutrino- og antineutrino-svingningerne separat ved at betjene strålen i neutrino-tilstand eller antineutrino-tilstand.

Begivenhedsvisninger af kandidatelektronneutrino (venstre) og elektronantineutrino (højre) begivenheder observeret i Super-K fra T2K neutrino strålen. Kredit: T2K-samarbejdet

T2K frigav et resultat, der analyserede data med 1,49x10 21 og 1,64x10 21 protoner fra acceleratoren til henholdsvis neutrino-stråle-tilstand og antineutrino-stråle-tilstand. Hvis parameteren δcp er lig med 0º eller 180º, vil neutrinoer og antineutrinoer ændre deres typer (fra muon til elektron) på samme måde under svingning. Δcp parameter kan have en værdi, der forbedrer svingningerne af neutrinoer eller antineutrinoer, hvilket bryder CP-symmetri. Imidlertid er observationen af ​​neutrinoer allerede forbedret i T2K-eksperimentet ved, at detektorerne og strålelinjekomponenterne er lavet af stof og ikke antimateriale. For at adskille effekten af ​​δcp fra kendte strålelinje- og interaktionseffekter inkluderer T2K-analysen korrektioner baseret på data fra magnetiserede nærdetektorer (ND280) placeret 280 m fra målet. T2K observerede 90 elektronneutrino-kandidater og 15 elektron-antineutrino-kandidater. T2K forventer at observere 82 elektronneutrinohændelser sammenlignet med 17 elektronantineutrinohændelser for maksimal neutrino-forbedring (δcp = -90º) og 56 elektronneutrinohændelser sammenlignet med 22 elektronantineutrinohændelser for maksimal antineutrino-forbedring (δcp= + 90º). Det observerede antal hændelser som en funktion af den rekonstruerede neutrinoenergi er vist nedenfor. T2K-dataene er mest kompatible med en værdi tæt på δcp= -90º, der væsentligt forbedrer oscillationssandsynligheden for neutrinoer i T2K-eksperimentet. Ved hjælp af disse data evaluerer T2K konfidensintervaller for parameteren δcp. Den ugunstige region ved 3σ (99,7%) konfidensniveau er 2º til 165º. Dette resultat repræsenterer den stærkeste begrænsning på δcp til dato. Værdierne 0 ° og 180 ° forkæles ved 95% konfidensniveau, hvilket var tilfældet i T2Ks tidligere udgivelse i 2017, hvilket indikerer, at CP-symmetri kan blive overtrådt i neutrino-svingninger.

  • Den observerede elektronneutrino (venstre) og elektronantineutrino (højre) kandidatbegivenheder med forudsigelser for maksimal neutrino-forbedring (rød, lang bindestreg) og maksimal antineutrino-forbedring (blå, kort bindestreg). Kredit: T2K-samarbejdet
  • Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), University of Tokyo. Kredit: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), University of Tokyo
  • Begivenhedsvisning for en kandidat elektronneutrino. Kredit: T2K

Mens dette resultat viser en stærk præference for forbedring af neutrinohastigheden i T2K, er det endnu ikke klart, om CP-symmetri er overtrådt eller ej. For yderligere at forbedre den eksperimentelle følsomhed over for en potentiel CP-symmetriovertrædende effekt, vil T2K Collaboration opgradere den nærmeste detektorsuite for at reducere systematiske usikkerheder og akkumulere flere data, og J-PARC vil øge stråleintensiteten ved at opgradere acceleratoren og beamline.


ALPHA-samarbejdsforskere har med succes laserkølet antimateriale hydrogenatomer

Panorama i CERN Antiproton Decelerator-salen, der indeholder flere eksperimenter, herunder ALPHA (Billede: CERN).

ALPHA-samarbejdet rapporterede om den første vellykkede afkøling af atomantimateriale ved hjælp af ultraviolet lys i Nature's bind 1. april 2021. Denne præstation, som vil muliggøre en mere præcis bestemmelse af egenskaberne af antihydrogen og muligvis den første måling af tyngdekraften på antimateriale, resulterede fra et årti lang udvikling i fangst af antimateriagebrint og inden for laserteknologi. Indtil i dag er tyngdekraften på antimateriale aldrig blevet målt, så ALPHA-forskere er begejstrede over udsigten til at bestemme tyngdekraften på koldt antimaterialebrint. Også ved mere nøjagtigt at måle egenskaberne af antimaterialebrint håber ALPHA-forskere at bidrage til at forstå materien-antimaterie-asymmetrien i universet.

Dr. Francis Robicheaux, professor ved Institut for Fysik og Astronomi ved Purdue University, var involveret i denne forskning som en del af ALPHA-samarbejdet siden 2005. Antimaterialebrintatomer, der først blev fanget af ALPHA-samarbejdet i 2010, er ideelle til mange undersøgelser på grund af til deres enkelhed, bestående af en antimateriale proton og en antimaterie elektron. Koldere atomer forbedrer målingerne kraftigt ved at bremse deres bevægelse. Afkøling af antimateriale ved at sætte det i kontakt med koldt stof fungerer dog ikke, fordi antimateriale udslettes, når det rører ved stof.

Robicheaux siger "Det var åbenlyst for mange, at laserkøling var en meget lovende metode." Laserkøling af almindelige atomer har været en vigtig teknik i mange laboratorier i 40 år. "I 2012, da jeg var professor ved Auburn University, en fantastisk bachelorforsker (Patrick Donnan), en kollega (Makoto Fujiwara fra Triumf), og jeg udførte store simuleringer af laserafkøling i ALPHA-antimateriale-fælden, og vi viste, at det var muligt at køle betydeligt. ALPHA-samarbejdet udviklede den laser, der kunne bruges til netop dette. Dette var et utroligt vanskeligt eksperiment på grund af begrænsningerne (temperaturer lige over absolut nul, enorme magnetfelter, laser med høj energi og mere), men de lykkedes at fjerne mere end 90% af energien fra det fangede antihydrogen, hvilket nedsætter dem betydeligt. "

Koldere antimateriale hydrogenatomer åbner muligheden for at måle tyngdekraften på antimateriale for første gang. De fleste forskere forventer, at tyngdekraften fungerer det samme for stof og antimaterie, men dette er aldrig blevet testet. Robicheaux forklarer, "for store genstande som os er tyngdekraften normalt den vigtigste kraft og let at måle. For små objekter er næsten alle kræfter meget større end tyngdekraften, hvilket betyder, at virkningerne fra tyngdekraften er svære at isolere. Hurtigt antihydrogen ville bare flyve ud af fælden i enhver retning, mens vi ønsker at se dem falde på grund af tyngdekraften, og det er en vigtig forbedring at sænke antihydrogen. "

Et andet mål med ALPHA-samarbejdet er at sammenligne egenskaber ved regelmæssige brintatomer med antimaterialebrint. Et kæmpe mysterium er universets stof-antimaterie-asymmetri. Næsten alt i universet er stof, mens vores nuværende forståelse af universet vil føre til sammenlignelige mængder stof og antimateriale. Robicheaux sagde, "ved at studere antimaterieversionen af ​​det enkleste atom, brint, med meget høj præcision, håber vi at få nogle antydninger om årsagen til denne grundlæggende kendsgerning." Koldere antihydrogen forbedrer i høj grad præcisionen, fordi de bevæger sig langsommere gennem måleområdet. Som en første test rapporterede ALPHA i Nature-artiklen, at den målte spredning i frekvenser faldt med ca. 4 gange for det laserafkølede antihydrogen.

Robicheaux har været professor ved Purdue University siden efteråret 2013 og er en teoretiker, der udfører computersimuleringer til situationer, der involverer atomer eller objekter i nanometerstørrelse. I øjeblikket samarbejder en Purdue-studerende, Andrew Gustafson (en Goldwater-lærd), med Robicheaux om antimatter-simuleringer. Robicheaux siger, "Andrews projekter ser på fremtiden for ALPHA-eksperimenter. Et projekt, som han allerede har afsluttet, forudsiger, hvordan eksperimenter vil opføre sig med koldere antihydrogen. Jeg er sikker på, at hans resultater vil blive brugt i de næste par år til at forstå ALPHA-målinger . "

Dette arbejde understøttes af US National Science Foundation under tilskud nr. 1806380-PHY.

Skrevet af Cheryl Pierce med contritbutions fra Dr. Francis Robicheaux. Kontaktinfo her. & # 160 Info-side her.


Materie-antimaterie-asymmetri: Brug af solen til at belyse et grundlæggende mysterium for stof

Antimaterie er blevet påvist i solstråler via mikrobølge- og magnetfeltdata ifølge en præsentation af NJIT Research Professor of Physics Gregory D. Fleishman og to medforskere på det 44. møde i American Astronomical Society's Solar Physics Division. Denne forskning kaster lys over den forbløffende stærke asymmetri mellem stof og antimateriale ved at indsamle data i meget stor skala ved hjælp af solen som laboratorium.

Mens antipartikler kan oprettes og derefter detekteres med dyre og komplekse partikelacceleratoreksperimenter, er sådanne partikler ellers meget vanskelige at undersøge. Fleishman og de to medforskere har imidlertid rapporteret om den første fjernopdagelse af relativistiske antipartikler - positroner - produceret i nukleare interaktioner mellem accelererede ioner i solstråler gennem analyse af let tilgængelige mikrobølge- og magnetfeltdata opnået fra sol-dedikeret faciliteter og rumfartøjer. At sådanne partikler skabes i solstråler er ikke en overraskelse, men det er første gang, deres umiddelbare virkninger er blevet opdaget.

Resultaterne af denne forskning har vidtrækkende konsekvenser for at få værdifuld viden gennem fjernopdagelse af relativistiske antipartikler ved solen og potentielt andre astrofysiske genstande ved hjælp af radioteleskopobservationer. Evnen til at detektere disse antipartikler i en astrofysisk kilde lover at forbedre vores forståelse af den grundlæggende struktur af stof og højenergiprocesser såsom solstråler, der regelmæssigt har en udbredt og forstyrrende terrestrisk påvirkning, men tilbyder også et naturligt laboratorium til at adressere mest grundlæggende mysterier i det univers, vi lever i.

Elektroner og deres antipartikler, positroner, har samme fysiske adfærd bortset fra at elektroner har en negativ ladning, mens positroner, som deres navn antyder, har en positiv ladning. Denne ladningsforskel får positroner til at udsende den modsatte følelse af cirkulær polariseret radioemission, som Fleishman og hans kolleger brugte til at skelne mellem dem. For at gøre det krævede viden om magnetfeltets retning i solfænomenet, leveret af NASAs Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) og radiobilleder ved to frekvenser fra Japans Nobeyama Radioheliograph. Fleishman og hans kolleger fandt ud af, at radioemissionen fra blusset var polariseret i normal forstand (på grund af flere elektroner) ved den lavere frekvens (lavere energi), hvor virkningen af ​​positroner forventes at være lille, men vendt til den modsatte forstand på samme sted, skønt den højere frekvens (højere energi) hvor positroner kan dominere.


Matter-Antimatter Asymmetry

Fra kosmologi lærer vi, at Big Bang skabte stof og antimaterie i lige store mængder. Vi observerer imidlertid, at universet er domineret af stof, der er omkring en milliard protoner for hver anti-proton. Denne asymmetri er uden tvivl et af de resterende gåder inden for partikelfysik. For at vores univers skal eksistere, skal der - blandt andre betingelser - være en asymmetri i hastighederne for partikler, der oscillerer til antipartikler og omvendt. Vi vil vise, hvordan disse svingninger er blevet undersøgt med partikler produceret i acceleratorer (B-mesoner) og præsenterer nylige målinger på partikel-antipartikel-asymmetrier (CP-overtrædelse). Vi vil diskutere, hvordan disse resultater passer inden for de accepterede teorier. Large Hadron Collider (LHC) er et af de største videnskabelige projekter, der nogensinde er bygget, og starter sin første løbet senere på året. Vi vil vise, hvordan LHC vil være i stand til at kaste lys over mere spekulative teorier om stof og antimateriale partikler.

Yderligere information

Om seminarer af almen interesse

Vores generelle interesseseminarer er en mulighed for fremtrædende talere til at præsentere ny forskning inden for fysik og relaterede områder. Det præsenterede materiale er velegnet til bachelor-niveau opad, og alle medlemmer af skolen er velkomne til at deltage ..


UCLA-fysikere tilbyder en løsning på gåden om materiens oprindelse i universet

De fleste af naturlovene behandler partikler og antipartikler ens, men stjerner og planeter er lavet af partikler eller stof og ikke antipartikler eller antimateriale. Denne asymmetri, som i meget lille grad favoriserer stof, har forundret forskere i mange år.

Ny forskning fra UCLA-fysikere, offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters, tilbyder en mulig løsning på mysteriet om materiens oprindelse i universet.

Alexander Kusenko, professor i fysik og astronomi i UCLA College, og kolleger foreslår, at materiel-antimaterie-asymmetri kunne relateres til Higgs bosonpartikel, som var genstand for fremtrædende nyhedsdækning, da den blev opdaget i Schweiz & rsquos Large Hadron Collider i 2012.

Specifikt, skriver UCLA-forskerne, kan asymmetrien være produceret som et resultat af bevægelsen af ​​Higgs-feltet, der er forbundet med Higgs-bosonen, og som kunne have gjort masserne af partikler og antipartikler i universet midlertidigt ulige, hvilket tillod for et lille overskud af stofpartikler over antipartikler.

Hvis en partikel og en antipartikel mødes, forsvinder de ved at udsende to fotoner eller et par andre partikler. I & ldquoprimordial suppe & rdquo, der eksisterede efter Big Bang, var der næsten lige store mængder partikler af antipartikler, bortset fra en lille asymmetri: en partikel pr. 10 mia. Da universet afkølede, udslettede partiklerne og antipartikler hinanden i lige store antal, og kun et lille antal partikler forblev denne lille mængde er alle stjernerne og planeterne, og gas i dagens & rsquos univers, sagde Kusenko, som også er seniorforsker med Kavli-instituttet for universets fysik og matematik.

Forskningen fremhæves også af Physical Review Letters i en kommentar i det aktuelle nummer.

Opdagelsen af ​​Higgs bosonpartiklen i 2012 blev hyldet som en af ​​de store videnskabelige præstationer i de seneste årtier. Higgs-bosonen blev første gang postuleret for 50 år siden som et afgørende element i den moderne teori om naturkræfterne, og det er, som fysikere siger, hvad der giver alt i universet masse. Fysikere ved LHC målte partikel- og rsquos-massen og fandt, at dens værdi var ejendommelig, det er i overensstemmelse med muligheden for, at Higgs-feltet i de første øjeblikke af Big Bang var meget større end dets & ldquoequilibrium-værdi & rdquo observeret i dag.

Higgs-feltet & ldquohad skulle ned til ligevægten i en proces med & lsquoHiggs afslapning, & rsquo & rdquo sagde Kusenko, hovedforfatteren af ​​UCLA-forskningen.


Den kosmiske asymmetri i stof-antimaterie

Materie overvejer over antimateriale i det observerbare univers ifølge alt det astronomiske bevis, der er tilgængeligt på nuværende tidspunkt. Nuværende videnskabelige teorier tilskriver denne asymmetri resultatet af fysiske processer, der finder sted i meget tidlige tider, idet universet oprindeligt er i en symmetri-tilstand. Vi udfylder et historisk perspektiv ved at nævne en gammel idé om et univers i udvikling, hvor successive symmetrier blev brudt. For den specifikke asymmetri i stof-antimaterie udspringer den moderne teoretiske forklaring fra syntesen af ​​kosmologi og partikelfysik, hvoraf ingen nu kan udvikle sig i fravær af eksperimentelle eller observationsdata, der fortsat leveres af den anden disciplin. En skitse gives for den hotte big-bang-model i kosmologi, især dens støtte fra den observerede 2,8 K baggrundsstråling og kosmisk helium overflod. Den store forening af de svage, de elektromagnetiske og de stærke interaktioner i partikelfysik diskuteres også kort. Store samlede teorier forudsiger, at baryon-nummeret ikke længere er bevaret. Eksempler på ordninger til forklaring af generering af baryontal i det unge univers undersøges derefter, og det samme gælder udsigterne til empiriske data på kort og lang sigt, der er nødvendige for verifikation. Endelig spekulerer vi i et oscillerende univers, hvor stof og fysiske konstanter genbruges.


Anerkendelser

Vi takker G. T. Garvey for bidrag til de tidlige stadier af dette eksperiment. Vi takker også Fermilab Accelerator Division og Particle Physics Division for deres støtte til dette eksperiment. Dette arbejde blev udført af SeaQuest Collaboration, hvis arbejde delvist blev støttet af det amerikanske energiministerium under tilskud DE-AC02-06CH11357, DE-FG02-07ER41528, DE-SC0006963 US National Science Foundation under tilskud PHY 0969239, PHY 1306126 , PHY 1452636, PHY 1505458, PHY 1614456 DP & ampA og ORED ved Mississippi State University, JSPS (Japan) KAKENHI gennem bevillingsnumre 21244028, 25247037, 25800133 Tokyo Tech Global COE-programmet, Japan Yamada Science Foundation i Japan og Ministeriet for Videnskab og teknologi (MOST), Taiwan. Fermilab drives af Fermi Research Alliance, LLC, under kontraktnummer DE-AC02-07CH11359 med US Department of Energy.


Udforskning af det univers, der ikke var

For 13,8 milliarder år siden begyndte det, vi ved i dag som vores univers, med det hotte Big Bang. Fyldt med stof, antimateriale og stråling på en næsten ensartet måde ekspanderede den og graviterede i næsten perfekt balance. Da universet afkøledes, blev materien og antimateriet udslettet og efterlod en lille, lille, men betydelig mængde stof bag sig. Efter 9,2 milliarder år begyndte gradvist, hvad der ville blive vores solsystem, at dannes fra en kollapsende sky af molekylær gas, og efter yderligere 4,55 milliarder år opstod menneskeheden først på planeten Jorden.

Når vi ser ud på universet fra vores perspektiv her og nu, får vi kun et øjebliksbillede af eksistensen, defineret af egenskaberne for lys, partikler og tyngdekraftbølger, som vi observerer på tidspunktet for deres ankomst. Baseret på alt det, vi har set, kombineret med vores teorier, rammer og modeller, der afspejler sammensmeltningen af ​​disse observationer med de underliggende fysiske love, er vi kommet til at forstå kosmos omkring os. Men hvis tingene kun havde været en lille smule anderledes, ville vores univers have været dramatisk anderledes. Her er fem ting, der kunne være sket for at ændre forløbet for vores fælles kosmiske historie.

46 milliarder lysår i radius i dag. Den komplekse struktur, der er opstået, skal have været vokset fra frøkomfekt tidligt. (NASA / CXC / M.WEISS)

1.) Hvad hvis universet faktisk var helt ensartet, da det blev født? Denne er ikke noget, der er meget værdsat: Universet, som vi kender det, kunne ikke have været født perfekt glat. Hvis vi havde haft en nøjagtig lige stor mængde stof-og-antimaterie-og-stråling overalt, på alle steder i rummet, gående helt tilbage til de tidlige øjeblikke af den varme Big Bang, ville hvert punkt i universet opleve lige tyngdekraften trækker den i alle retninger. Med andre ord er ideen om tyngdekraftsvækst og sammenbrud afhængig af en indledende ufuldkommenhed at vokse fra. Uden frøet kan du ikke få det ønskede slutresultat som en stjerne, galakse eller noget endnu større.

Det eneste håb, vi ville have, ville stamme fra universets kvante natur. Fordi vi har kvanteprocesser, der ikke kan undgås:

  • iboende usikkerhed i partiklernes positioner og momenta,
  • iboende usikkerhed mellem energien i et system og den tid, der går,
  • og eksklusionsregler, der forhindrer visse partikler i at optage identiske kvantetilstande,

en vis mængde ufuldkommenheder vil automatisk opstå, selvom der oprindeligt ikke var nogen.

1⁰³⁰ gange svagere. (NASA / ESA OG COBE-, WMAP- OG PLANCK-TEAMS PLANCK 2018 RESULTATER. VI. KOSMOLOGISKE PARAMETRE PLANCK-SAMARBEJDE (2018))

Fra disse kvanteprocesser forventer du, at de indledende ufuldkommenheder opstår omkring niveauet 1-del-i-10³⁵, som er ekstremt lille. Til sammenligning, som informeret af observationer, blev vores univers født med ufuldkommenheder, der opstår på niveauet 1-del-i-30.000. Selv om dette også er lille, er det absolut enormt i forhold til de små kvantesvingninger, der findes i dag: mere end 30 størrelsesordener større.

Baseret på den måde, hvorpå ufuldkommenheder vokser i universet, tog det et sted rundt

100 millioner år for de største af de indledende udsving, som universet startede med at danne de første stjerner. Hvis universet blev født med udsving, der var 1-del-i-10.000.000 i stedet for, ville vi højst sandsynligt kun danne de første stjerner, nu tager tyngdekraftsvækst meget lang tid, medmindre du starter fra et væsentligt stort frø. Hvis vores univers blev født nøjagtigt, helt ensartet, ville der ikke være nogen struktur, ingen stjerner og ingen interessante kemiske reaktioner at tale om hvor som helst i kosmos.

6 milliarder år balancerede ekspansionshastigheden og den samlede energitæthed præcist, hvilket gjorde det muligt for vores univers at vedblive og danne komplekse strukturer. Denne balance var vigtig. (NASA / GSFC)

2.) Hvad hvis ekspansionshastigheden og effekterne af tyngdekraften var mindre perfekt afbalancerede? Denne er lidt vanskelig. Vi tænker normalt på universet som et ret stabilt sted, men det er kun fordi der er to ting, der har været så velafbalancerede så længe: den hastighed, hvormed universet udvides, og de decelererende virkninger af alt stof og stråling i Univers. I dag stemmer disse to effekter ikke overens, og det er derfor, vi siger, at udvidelsen af ​​universet accelererer.

6 milliarder år af universets historie, de matchede ikke bare, de matchede så perfekt, at det, vi kender til som mørk energi, ville have været helt uopdageligt, selvom en potentiel fremmed civilisation udviklede de nøjagtige værktøjer, vi bruger i dag til at måle Univers. Jo længere tilbage i tiden du går, jo mindre vigtig bliver mørk energi i forhold til stof og stråling. Og vi kan gå ikke kun milliarder af år tilbage, men helt tilbage til den første lille brøkdel af et sekund efter det varme Big Bang.

Here, we can find all the matter and energy we have in the Universe today compressed into a much, much smaller region of space. At this time, the Universe was not only hotter and denser, but expanded much, much more quickly than it’s expanding today. In fact, one way to picture the expanding Universe is to treat it as a race: between the initial expansion rate — whatever that rate what when the hot Big Bang first occurred — and the total effects of all the matter, antimatter, neutrinos, radiation, etc., that are present.

What’s remarkable is when we consider how perfectly balanced these two quantities must have been. Today, the Universe has a density of about 1 proton per cubic meter of space. But early on, it had a density that was more like quintillions of kilograms per cubic centimeter of space. If you would have increased or decreased that density by just 0.00000000001%, the Universe would have:

  • recollapsed on itself, ending in a Big Crunch after less than 1 second, in the case of an increase,
  • or expanded so quickly that no protons and electrons would ever have found one another to form even a single atom in the Universe, in the case of a decrease.

This incredible balance, along with the need for it, highlights just how precarious our existence in this Universe is.

3.) What if there had been exactly equal amounts of matter and antimatter? This is another problematic one for us, and in fact it’s one of the greatest unsolved problem in all of physics: why do we live in a Universe with more matter than antimatter? This puzzle has many possible resolutions, but no definitive answer. What we can say, for certain, is that:

  • in the early stages of the hot Big Bang, the Universe should have been perfectly symmetric between matter and antimatter,
  • and that somehow, some process occurred that resulted in the existence of approximately 1,000,000,001 matter particles for every 1,000,000,000 antimatter particles,
  • and when the excess annihilated away, we were left with that tiny bit of matter amidst a leftover bath of radiation.

That radiation still survives, as does the matter, which is why we can reconstruct what happened at early times.

We still don’t know how it happened, but we do know what our Universe would have looked like if we didn’t generate a matter-antimatter asymmetry: the matter and antimatter would have annihilated away, not completely, but until there was so little matter and antimatter left that the individual particles that were left — protons and antiprotons, electrons and positrons, etc. — would simply no longer find each other.

Today’s Universe, you’ll recall, has about

1 proton per cubic meter of space: if you smeared out the entire Universe and drew a box that was 1 meter × 1 meter × 1 meter, you’d expect to find about 1 proton inside. When you work out the math for what happens if matter and antimatter annihilated away from a perfectly symmetric state, you’d find a very different Universe. Radiation would keep scattering off of these particles for tens of millions of years, rather than just a few hundred thousand, and the average density of all forms of matter and antimatter would be the equivalent only

1 proton (or antiproton) per cubic mile: a box that was 1 mile × 1 mile × 1 mile, or about 10 billion times less dense than the Universe we have today.

If our Universe hadn’t created a matter-antimatter asymmetry early on, none of the remarkable steps that came afterwards to lead to our existence could have taken place.

4.) What if there hadn’t been any dark matter? This one is a fascinating consideration that’s generally greatly underappreciated. Most of us think about dark matter as the “glue” that holds the largest structures in the Universe together: things like the cosmic web and enormous galaxy clusters. But dark matter also does two enormously important things we don’t typically think about:

  • it provides the majority of the gravitational mass that both forms all galaxies in the Universe and continues to hold them together,
  • and it prevents structure from being “washed out” by the interactions that exist between normal matter and radiation.

Take dark matter away, and what happens? The small-scale structure you’d attempt to form wouldn’t exist, as the early radiation-dominated phase of the Universe would wash those imperfections away. Meanwhile, the galaxies that you did form would undergo one burst of star formation, and then those stars would boil all the surrounding matter away, ejecting it from the galaxy entirely. In a Universe with no dark matter, only that first generation of stars would exist, meaning there would be no rocky planets, no biochemistry, and no life.

5.) What if dark energy weren’t constant in space or time? This is the one possibility that’s still on the table for our Universe: that dark energy might evolve in some fashion. To the best of our observational limits, it certainly looks and behaves like a cosmological constant — as a form of energy inherent to the fabric of space itself — where the energy density remains constant in time and all throughout space.

But we don’t have constraints on how dark energy behaved (or whether it even existed!) for roughly the first

50% of our Universe’s history, and we only observe it to be a constant to the limits of our current precision. Three telescopes will improve on this in the near future: the ESA’s EUCLID, the NSF’s Vera Rubin Observatory, and NASA’s Nancy Roman telescope, the last of which should measure whether dark energy changes at all to a precision of just

If dark energy strengthens, the Universe could rip apart. If dark energy weakens or reverses sign, the Universe could yet recollapse. And if dark energy decays, the Universe as we know it could end. None of these things have happened yet, but if the Universe were only slightly different, any one of them could have taken place in the past, precluding our existence from occurring at all.

All of this, when taken together, leads us to a fascinating conclusion: if any of these things were — in any way — substantially different from the way they are, it would have been a physical impossibility for human beings to have arisen as we did within the Universe. A Universe that was too smooth would have failed to create stars and galaxies in time a Universe that expanded too quickly or slowly wouldn’t have remained stable for long enough to form anything interesting. A Universe without more matter than antimatter couldn’t have formed stars, and a Universe without dark matter couldn’t have hung onto their remnants to form planets.

In many ways, we’re extremely fortunate to have gotten the Universe that we occupy, as if any one of a great number of things were even a little bit different, the Universe would not have admitted the existence of humans, or any intelligent observer, as a possibility. But in this cosmos of ours, exactly the way it is, we can observe some 2 trillion galaxies. Around one of the

400 billion stars in one of them, the Milky Way, life took hold, survived, thrived, and evolved. After more than 4 billion years, human beings arose, and now we look out at the Universe to learn our place in it. It may not have been an inevitable journey from the Big Bang to us, but it sure has been a remarkable one.