In kosmische holtes waar de dichtheid van sterrenstelsels veel lager is dan standaard, astronomen hebben zwakke magnetische velden waargenomen die een venster op het vroege heelal kunnen bieden. De velden 10 ^-17 -10 ^-10 G in magnitude met grote coherentielengtes tot megaparsecs wordt verondersteld hun oorsprong te hebben in het vroege heelal, maar tot nu toe is het onduidelijk wanneer en hoe ze zijn gegenereerd. Een hypothese is dat een onevenwichtigheid in het aantal "linkshandige" en "rechtshandige" fermionen er de oorzaak van kan zijn, omdat dit kan leiden tot spiraalvormige magnetische velden. Maar tot nu toe is er geen gedetailleerde analyse geweest over hoe de evolutie van het aantal links- en rechtshandige fermionen zich zou kunnen verhouden tot deze hypothese. Nu rapporteert een samenwerking van onderzoekers in Europa een meer rigoureuze analyse van deze chiraliteitsonbalans met verrassende resultaten.

De handigheid of chiraliteit van fermionen is een fundamentele eigenschap van kwantumdeeltjes (relevant voor de beschrijving van de zwakke interactie daartussen). "Voor massaloze fermionen valt het samen met de heliciteit van het deeltje, dat wil zeggen de projectie van de spin van het deeltje op de richting van zijn beweging, " legt Oleksandr Sobol uit, een postdoctoraal onderzoeker aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland en de Universiteit van Kiev, en corresponderende auteur van dit laatste rapport. "Echter, voor echte massieve fermionen is er geen eenvoudige analogie."

Oleksandr legt uit dat bepaalde processen de chiraliteit kunnen omkeren, die de neiging heeft om de onbalans in de chiraliteit van het fermion in de loop van de tijd te compenseren. Tot dusver hebben kosmologen vertrouwd op een schatting van deze vervalsnelheid op basis van de eenvoudigste reacties die bij deze processen betrokken zijn. Volgens deze principes is de vervalsnelheid evenredig met het kwadraat van een fundamentele constante die bekend staat als de fijne structuurconstante, die de sterkte van elektromagnetische interacties tussen fundamentele deeltjes kwantificeert. Echter, een van de dingen waar deze schatting geen rekening mee houdt, is de manier waarop deeltjes in een plasma verschillen van deeltjes in een vacuüm. Het blijkt dat dit een aanzienlijke impact heeft op berekeningen van de waarschijnlijkheid van een van de verstrooiingsprocessen die de chiraliteit van een deeltje kunnen omdraaien.

Milieu-effecten

In elk verstrooiingsproces, het momentum wordt overgedragen van het ene botsende deeltje naar het andere, legt Sobol uit. Hoe lager het overgedragen momentum, hoe groter de kans dat verstrooiing optreedt. In hun analyse van de chiraliteitsonbalansvervalsnelheid, hij en zijn medewerkers richten zich grotendeels op Compton-verstrooiing waar een elektron en foton botsen, die de chiraliteit van het elektron kan omdraaien. Hier als Sobol hoogtepunten, wanneer het elektron en foton hun momenta uitwisselen zonder dat de momenta-waarden veel veranderen, de kans op verstrooiing kan echt omhoogschieten, zo snel groeien dat integratie over alle mogelijke impulsoverdrachtswaarden neigt naar oneindig - een zogenaamde infrarood-singulariteit, waarbij infrarood verwijst naar de betrokken lage impulsoverdracht.

"Blijkbaar, dit is niet fysiek, omdat alle hoeveelheden eindig moeten blijven, " voegt Sobol toe, erop wijzend dat het probleem kan worden opgelost door rekening te houden met de verschillen tussen deeltjes in plasma en in vacuüm. "De omgeving verandert de energieverdeling van deeltjes en maakt hun levensduur eindig." Door rekening te houden met deze milieueffecten konden de onderzoekers alle hoeveelheden eindig maken. Wat ze tot hun verbazing ook vonden, was dat een van de fijnstructuurconstanten in de chiraliteitsvervalsnelheidsrelatie dan opheft, zodat de snelheid lineair evenredig wordt met de fijne structuurconstante.

De verandering in de relatie die de vervalsnelheid beschrijft, geeft deze een waarde die twee orden van grootte sneller is dan die van de vorige schatting. Hoewel zo'n grote discrepantie misschien klinkt als iets dat eerder ergens langs de lijn had moeten worden opgepikt - of op zijn minst gecontroleerd - is het pas sinds kort dat numerieke berekeningen met deze waarden echt haalbaar zijn. "De kwantitatieve analyse van plasma's met chirale onbalans vereist gecompliceerde en numeriek kostbare simulaties die mensen vele jaren geleden niet konden uitvoeren, " zegt Sobol. "Met andere woorden, tot voor kort was de exacte numerieke waarde van de chiraliteitsfrequentie niet nodig." Hij benadrukt ook dat het ook onduidelijk was hoe deze snelheid moest worden berekend, omdat het wat "niet-triviale" wiskunde vereist - een dubbele perturbatieve expansie, in de fijne structuurconstante en elektronenmassa.

Dus, met zo'n snelle vervalsnelheid bevestigd, is dat spel voorbij voor theorieën over primordiale magnetische velden die worden gegenereerd door onbalans in fermionchiraliteit? Niet helemaal. Zoals Sobol opmerkt, is een andere belangrijke factor hoe snel de chiraliteitsonbalans kan worden overgebracht naar het magnetische veld. "Dit percentage is nog onbekend en moet zeker worden berekend, " zegt Sobol. "Alleen kennis van beide snelheden zou men kunnen concluderen over de mogelijkheid van de magnetogenese in dit model."

© 2020 Wetenschap X Netwerk