I kosmiska tomrum där galaxernas täthet är mycket lägre än standard, astronomer har observerat svaga magnetfält som kan ge ett fönster in i det tidiga universum. Fälten 10 ^-17 -10 ^-10 G i magnitud med stora koherenslängder på upp till megaparsek tros ha sitt ursprung i det tidiga universum, men än så länge är det oklart när eller hur de genererades. En hypotes är att en obalans i antalet "vänsterhänta" och "högerhänta" fermioner kan vara kärnan i det, eftersom detta skulle kunna ge upphov till spiralformade magnetfält. Men hittills har det inte gjorts någon detaljerad analys av hur utvecklingen av antalet vänster- och högerhänta fermioner kan stå sig mot denna hypotes. Nu rapporterar ett samarbete mellan forskare i Europa om en mer rigorös analys av denna kiralitetsobalans med överraskande resultat.

Fermioners handenhet eller kiralitet är en grundläggande egenskap hos kvantpartiklar (relevant för beskrivningen av den svaga interaktionen mellan dem). "För masslösa fermioner sammanfaller det med partikelns helicitet, dvs. projektionen av partikelns spinn i riktningen för dess rörelse, " förklarar Oleksandr Sobol, en postdoktor vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne i Swtizerland och University of Kiev, och motsvarande författare om denna senaste rapport. "Dock, för riktiga massiva fermioner finns det ingen enkel analogi."

Oleksandr förklarar att vissa processer kan vända kiraliteten, som tenderar att jämna ut obalansen i fermionkiralitet över tiden. Hittills har kosmologer förlitat sig på en uppskattning av denna sönderfallshastighet baserat på de enklaste reaktionerna som är involverade i dessa processer. Enligt dessa principer är avklingningshastigheten proportionell mot kvadraten av en fundamental konstant känd som finstrukturkonstanten, som kvantifierar styrkan hos elektromagnetiska interaktioner mellan fundamentala partiklar. Dock, en av sakerna som denna uppskattning inte tar hänsyn till är hur partiklar i ett plasma skiljer sig från partiklar i ett vakuum. Det visar sig att detta har en betydande inverkan på beräkningar av sannolikheten för en av spridningsprocesserna som kan vända på en partikels kiralitet.

Miljöpåverkan

I alla spridningsprocesser, rörelsemängden överförs från en kolliderande partikel till en annan, förklarar Sobol. Ju lägre momentum som överförs, desto högre är sannolikheten för att spridning inträffar. I sin analys av sönderfallshastigheten för kiralitetsobalansen, han och hans medarbetare fokuserar till stor del på Compton-spridning där en elektron och foton kolliderar, som kan vända elektronens kiralitet. Här som Sobol framhåller, när elektronen och fotonen byter momenta utan att momentvärdena ändras mycket, sannolikheten för spridning kan verkligen skjuta i höjden, växer så snabbt att integration över alla möjliga momentumöverföringsvärden tenderar till oändlighet - en så kallad infraröd singularitet, där infraröd hänvisar till den inblandade låga momentumöverföringen.

"Självklart, detta är inte fysiskt, eftersom alla kvantiteter bör förbli ändliga, " tillägger Sobol, påpekar att det kan lösa problemet om man tar hänsyn till skillnaderna mellan partiklar i plasma och i vakuum. "Miljön förändrar energispridningen av partiklar och gör deras livslängd begränsad." Genom att ta hänsyn till dessa miljöeffekter kunde forskarna göra alla kvantiteter ändliga. Vad de också hittade till sin förvåning, var att en av finstrukturkonstanterna i kiralitetsavklingningshastighetsrelationen sedan upphävs så att hastigheten blir linjärt proportionell mot finstrukturkonstanten.

Förändringen i relationen som beskriver avklingningshastigheten ger den ett värde två storleksordningar snabbare än det som sattes av den tidigare uppskattningen. Även om en så stor avvikelse kan låta som något som borde ha plockats upp någonstans längs linjen innan - eller åtminstone kontrollerat - är det först nyligen som numeriska beräkningar med dessa värden verkligen har varit genomförbara. "Den kvantitativa analysen av plasma med kiral obalans kräver komplicerade och numeriskt kostsamma simuleringar som människor inte kunde utföra för många år sedan, säger Sobol. Med andra ord, förrän på senare tid behövdes inte det exakta numeriska värdet av växlingshastigheten för chiralitet." Han betonar också att det också var oklart hur man beräknar denna hastighet, eftersom det kräver lite "icke-trivial" matematik - en dubbel störande expansion, i finstrukturen konstant och elektronmassa.

Så, Med en så snabb sönderfallshastighet bekräftad är det spelet över för teorier om ursprungliga magnetiska fält som genereras genom fermionkiralitetsobalans? Inte riktigt. Som Sobol påpekar är en annan nyckelfaktor hur snabbt kiralitetsobalansen kan överföras till magnetfältet. "Denna ränta är fortfarande okänd och den bör definitivt beräknas, ", säger Sobol. "Endast om man känner till båda hastigheterna kan man dra slutsatser om möjligheten av magnetogenes i denna modell."

© 2020 Science X Network