Tidigt i sin historia, kort efter Big Bang, fylldes universum med lika mängder materia och "antimateria" – partiklar som är materiamotsvarigheter men med motsatt laddning. Men sedan, när rymden expanderade, svalnade universum. Dagens universum är fullt av galaxer och stjärnor som är gjorda av materia. Vart tog antimateria vägen och hur kom det att materia dominerade universum? Detta kosmiska ursprung av materia fortsätter att förbrylla forskare.

Fysiker vid University of California, Riverside och Tsinghua University i Kina har nu öppnat en ny väg för att undersöka materiens kosmiska ursprung genom att åberopa den "kosmologiska kollideraren".

Inte vilken kolliderare som helst

Högenergikolliderare, som Large Hadron Collider, har byggts för att producera mycket tunga subatomära elementarpartiklar som kan avslöja ny fysik. Men viss ny fysik, som den som förklarar mörk materia och materiens ursprung, kan involvera mycket tyngre partiklar, som kräver mycket högre energi än vad en människotillverkad kolliderare kan ge. Det visar sig att det tidiga kosmos kunde ha fungerat som en sådan superkolliderare.

Yanou Cui, docent i fysik och astronomi vid UCR, förklarade att det är allmänt trott att kosmisk inflation, en era då universum expanderade i en exponentiellt accelererande hastighet, föregick Big Bang.

"Kosmisk inflation gav en mycket energisk miljö, som möjliggjorde produktionen av tunga nya partiklar såväl som deras interaktioner", sa Cui. "Det inflationära universum betedde sig precis som en kosmologisk kolliderare, förutom att energin var upp till 10 miljarder gånger större än någon människagjord kolliderare."

Enligt Cui sträcktes mikroskopiska strukturer skapade av energiska händelser under uppblåsning när universum expanderade, vilket resulterade i regioner med varierande täthet i ett annars homogent universum. Därefter sådde dessa mikroskopiska strukturer den storskaliga strukturen i vårt universum, som idag manifesteras som fördelningen av galaxer över himlen. Cui förklarade att ny subatomär partikelfysik kan avslöjas genom att studera avtrycket av den kosmologiska kollideren i kosmos innehåll idag, såsom galaxer och den kosmiska mikrovågsbakgrunden.

Cui och Zhong-Zhi Xianyu, biträdande professor i fysik vid Tsinghua University, rapporterar i tidskriften Physical Review Letters att genom att tillämpa den kosmologiska kolliderarens fysik och använda precisionsdata för att mäta strukturen i vårt universum från kommande experiment som SPHEREx och 21 cm linjetomografi, kan mysteriet med materiens kosmiska ursprung redas ut.

"Det faktum att vårt nuvarande universum domineras av materia är fortfarande ett av de mest förbryllande, långvariga mysterierna i modern fysik," sa Cui. "En subtil obalans eller asymmetri mellan materia och antimateria i det tidiga universum krävs för att uppnå dagens materiadominans men kan inte realiseras inom den kända ramen för fundamental fysik."

Leptogenes till undsättning

Cui och Xianyu föreslår att testa leptogenes, en välkänd mekanism som förklarar ursprunget till baryon - synlig gas och stjärnor - asymmetri i vårt universum. Hade universum börjat med lika mängder materia och antimateria, skulle de ha förintat varandra till fotonstrålning, utan att lämna någonting. Eftersom materia vida överstiger antimateria idag krävs asymmetri för att förklara obalansen.

"Leptogenes är bland de mest övertygande mekanismerna som genererar materia-antimateria-asymmetri," sa Cui. "Det involverar en ny fundamental partikel, den högerhänta neutrinon. Man trodde dock länge att det är näst intill omöjligt att testa leptogenes eftersom massan av den högerhänta neutrinon vanligtvis är många storleksordningar bortom räckhåll för den högsta energin. Collider som någonsin byggts, Large Hadron Collider."

Det nya arbetet föreslår att man testar leptogenes genom att avkoda de detaljerade statistiska egenskaperna för den rumsliga fördelningen av objekt i den kosmiska strukturen som observeras idag, påminner om den mikroskopiska fysiken under kosmisk inflation. Den kosmologiska kollidereffekten, hävdar forskarna, möjliggör produktionen av den supertunga högerhänta neutrinon under inflationstiden.

"Särskilt visar vi att väsentliga förhållanden för asymmetrigenereringen, inklusive interaktioner och massor av den högerhänta neutrinon, som är nyckelspelaren här, kan lämna distinkta fingeravtryck i statistiken över den rumsliga fördelningen av galaxer eller kosmisk mikrovågsbakgrund och kan mätas exakt," sa Cui. "De astrofysiska observationer som förväntas under de kommande åren kan potentiellt upptäcka sådana signaler och reda ut materiens kosmiska ursprung." + Utforska vidare

Använda universum som en 'kosmologisk kolliderare' (Uppdatering)