یک ذره نادیده گرفته شده از طلوع زمان می تواند توضیح دهد که چرا همه چیز در جهان وجود دارد

یک مطالعه جدید نشان می دهد که ممکن است یک "ذره شبح" نادیده گرفته شده دقیقا پس از انفجار بزرگ بر جهان تسلط داشته باشد - تغییر نحوه انبساط کیهان در اولین لحظات و تغییر شکل شرایطی که در آن ماده بر ضد ماده پیروز شد. به عبارت دیگر، ممکن است توضیح دهد که چرا اصلا چیزی وجود دارد.

این مطالعه پیشنهاد می‌کند که این ذره، یک نوترینوی فرضی «راست‌دست»، برای مدت کوتاهی می‌توانست انرژی بیشتری نسبت به هر چیز دیگری در کیهان نوزاد داشته باشد، که می‌تواند انبساط کیهانی را تسریع کند و برهمکنش‌های ذرات کلیدی را به تأخیر بیاندازد. این تحقیق در 8 سپتامبر در مجله Physical Review Letters منتشر شد.

نوترینوها ذرات شبح مانندی هستند که به ندرت با چیزی تعامل دارند. یک نوترینوی معمولی از خورشید می‌تواند قبل از برخورد با یک اتم، از یک صفحه سربی به ضخامت یک سال نوری - حدود 5.9 تریلیون مایل (9.5 تریلیون کیلومتر) عبور کند. نوترینوها در سه نوع یا "طعم" وجود دارند و در حین حرکت بین آنها جابه‌جا می‌شوند و از یک اثر کوانتومی ظریف استفاده می‌کنند که فقط در صورتی کار می‌کند که جرم داشته باشند. با این حال، مدل استاندارد فیزیک ذرات پیش بینی می کند که آنها باید بدون جرم باشند.

یکی از راه حل های رایج شامل نوترینوهای "راست دست" است. ذرات تا حدودی مانند تاپ های ریز می چرخند و فیزیکدانان بسته به نحوه چرخش آنها نسبت به جهت حرکت آنها را چپ یا راست می نامند. یک ذره سمت راست مانند یک پیچ معمولی می چرخد ​​و در جهت عقربه های ساعت می چرخد ​​و از شما دور می شود. هر نوترینویی که تاکنون شناسایی شده است، چپ‌دست است و در هنگام پرواز در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد، مانند پیچی با رزوه معکوس.

ریشاو روشن، فیزیکدان نظری در دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا، فیزیکدان نظری در دانشگاه ساوت همپتون در بریتانیا، به لایو ساینس گفت: «برخلاف همتایان چپ دست خود که بخشی از مدل استاندارد هستند، «نوترینوهای راست‌دست، ذرات فرضی هستند که نیروی هسته‌ای ضعیف را احساس نمی‌کنند».

روشن گفت: «نوترینوهای راست دست ممکن است با نوترینوهای چپ دست ترکیب شوند و به توضیح جرم دومی کمک کنند» و دلیل تغییر طعم آنها چیست.

تاسیسات IceCube که در اینجا در زیر شفق جنوبی عکس گرفته شده است، برترین مرکز تشخیص نوترینو در زمین است. نوترینوی "راست دست" پیشنهادی هنوز شناسایی نشده است. (اعتبار تصویر: IceCube/NSF) اره کیهانی

در فیزیک کوانتومی، ذراتی که مخلوط می شوند می توانند به صورت ترکیبی از دو هویت در یک زمان وجود داشته باشند. در یک چارچوب نظری به نام مکانیسم الاکلنگ، هر نوترینوی معمولی دارای ردی ضعیف از یک شریک راست دست سنگین است و این رد به آن جرم کوچکی می‌دهد. هر چه جفت سنگین‌تر باشد، اثر کم‌رنگ‌تر و نوترینوی معمولی سبک‌تر می‌شود - از این رو این نام را پس از زمین بازی که انتهای آن در جهت مخالف حرکت می‌کند، گرفته‌اند.

ذرات می توانند پازل های دیگر را نیز حل کنند. روشن گفت: هدف آنها رسیدگی به چندین موضوع از جمله منشاء توده های نوترینو، عدم تقارن ماده-ضد ماده جهان و ماهیت ماده تاریک است.

بیگ بنگ باید مقادیر مساوی ماده و پادماده ایجاد می‌کرد که می‌توانستند یکدیگر را از بین ببرند و جهان را آنطور که می‌دانیم از همیشه شکل نگیرد. روشن گفت که نوترینوهای راست‌دست نقش مهمی در طرح‌های مدل‌ها ایفا می‌کنند که «عدم تعادل ماده-ضد ماده مشاهده‌شده از فرآیندهای مربوط به این نوترینوها در جهان اولیه ناشی می‌شود».

او توضیح داد که در این تصویر، نوترینوهای سنگین در حال فروپاشی مقدار کمی لپتون - خانواده ذرات شامل الکترون - که بعدا به مازاد ماده امروزی تبدیل شد، به جای گذاشتند.

چارچوب الاکلنگ معمولا شامل سه نوترینو راست‌دست است، اما از آنجا که دو نوترینو برای توضیح داده‌ها کافی است، فیزیکدانان اغلب سومی را نادیده می‌گیرند، با این فرض که خیلی سنگین است یا خیلی ضعیف با ماده تعامل می‌کند.

چگونه سنگین‌ترین نوترینو به قدرت رسید

در مطالعه جدید، روشن و سودیپتا شو، فیزیکدان موسسه فناوری هند کانپور، بررسی کردند که این ذره نادیده گرفته شده - که در مثال اصلی تیم، حدود 100 تریلیون برابر یک پروتون سنگین بود - پس از انفجار بزرگ چه می کرد.

در ابتدا، ذره با سرعت تقریبا نور به اطراف می چرخید، بنابراین انرژی آن مانند انرژی نور محو می شد، که با گسترش فضا، هم گسترش می یافت و هم به طول موج های ضعیف تری کشیده می شد. اما با سرد شدن کیهان، سرعت ذره کاهش می‌یابد و بیشتر انرژی آن در جرم خود محبوس می‌شود، که فقط پخش می‌شود. بر اساس محاسبات تیم، سهم آن از انرژی کیهانی تا زمانی که تسلط پیدا کند، افزایش می‌یابد، و ذره با عمر طولانی تا زمانی که به ذرات دیگر تجزیه می‌شود، مسئول باقی می‌ماند.

روشن گفت که این مطالعه نشان می دهد که نوترینوی راست دست نادیده گرفته شده "به طور قابل توجهی بر دینامیک انبساط جهان اولیه تأثیر می گذارد و دوره ای از تسلط ماده اولیه را ایجاد می کند." روشن اضافه کرد که این تغییر "برهمکنش های مختلف مدل استاندارد" را تحت تاثیر قرار می دهد که می تواند به توضیح عدم تقارن ماده و پاد ماده کمک کند.

هر تعامل تنها زمانی روشن می شد که از گسترش فضا پیشی گرفت. از آنجایی که جهان تحت سلطه نوترینوی سنگین سریعتر منبسط می شد، فعل و انفعالات باید منتظر می ماند تا بیشتر سرد شود.

این فعل و انفعالات به جهان اولیه اجازه می دهد طعم لپتون را تشخیص دهد، که می تواند بر نحوه تشکیل مازاد ماده تأثیر بگذارد. به لطف تأخیر، تیم متوجه شد که یک نوترینوی راست دست سبک‌تر که حدود 100 میلیارد برابر یک پروتون سنگین‌تر است، می‌توانست مقدار ماده مشاهده‌شده را قبل از تفکیک طعم‌ها تولید کند - حتی پس از اینکه فروپاشی نوترینوی سنگین بخشی از آن را رقیق کرد.

تست کردن سخت است، اما دور از دسترس نیست

داستان های مرتبط

آیا قبل از انفجار بزرگ وجود داشت؟ جیم الخلیلی درباره گیجی زمان

چه می شد اگر انفجار بزرگ آغاز نبود؟ تحقیقات جدید نشان می دهد که ممکن است در داخل یک سیاهچاله رخ داده باشد

فیزیکدانان اولین میلی ثانیه پس از بیگ بنگ را بازسازی کردند - و دریافتند که به طرز شگفت آوری سوپ بود.

نوترینوی سنگین برای ایجاد در هر شتاب دهنده ذره ای بسیار عظیم است، بنابراین آزمایش ها باید غیرمستقیم باشند.

امواج گرانشی - امواج در فضا-زمان - یکی از این مسیرها را ارائه می دهد. دورانی که تحت سیطره نوترینوهای سنگین قرار می‌گرفت، می‌توانست پیچیدگی‌های آشکاری را در پس‌زمینه امواج گرانشی اولیه جهان، مانند امواج «رشته‌های کیهانی» ایجاد کند - نقص‌های نخ‌مانند فرضی در فضا. روشن خاطرنشان کرد: نتایج را می توان از طریق امکانات آتی مانند آنتن فضایی تداخل سنج لیزری (LISA) و رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی (SKAO) آزمایش کرد.

LISA، یک ماموریت فضایی اروپا، قرار است در حدود سال 2035 پرتاب شود، در حالی که SKAO، یک پروژه تلسکوپ رادیویی غول پیکر در استرالیا و آفریقای جنوبی ساخته می شود، می تواند چنین امواجی را با زمان بندی تپ اخترهای دوردست بگیرد. روشن گفت که آزمایش‌ها می‌توانند «در حالی که این امکانات آنلاین می‌شوند و جمع‌آوری داده‌ها را آغاز می‌کنند، انجام شوند». یک زمزمه ضعیف از پلاسمای داغ اولیه نیز می تواند اثر دوران را به همراه داشته باشد، اما در فرکانس هایی فراتر از آن چیزی که آشکارسازهای موجود می توانند دریافت کنند.