Vroeg in zijn geschiedenis, kort na de oerknal, was het universum gevuld met gelijke hoeveelheden materie en "antimaterie" - deeltjes die tegenhangers van materie zijn, maar met een tegengestelde lading. Maar toen de ruimte uitdijde, koelde het heelal af. Het universum van vandaag zit vol met sterrenstelsels en sterren die zijn gemaakt van materie. Waar ging de antimaterie heen en hoe kwam het dat materie het universum ging domineren? Deze kosmische oorsprong van materie blijft wetenschappers voor een raadsel stellen.

Natuurkundigen van de University of California, Riverside en Tsinghua University in China hebben nu een nieuwe weg geopend om de kosmische oorsprong van materie te onderzoeken door een beroep te doen op de 'kosmologische versneller'.

Niet zomaar een botser

Hoge-energieversnellers, zoals de Large Hadron Collider, zijn gebouwd om zeer zware subatomaire elementaire deeltjes te produceren die nieuwe fysica kunnen onthullen. Maar sommige nieuwe fysica, zoals die welke donkere materie en de oorsprong van materie verklaart, kan veel zwaardere deeltjes omvatten, die veel hogere energie vereisen dan wat een door mensen gemaakte botser kan leveren. Het blijkt dat de vroege kosmos als zo'n superbotser had kunnen dienen.

Yanou Cui, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de UCR, legde uit dat algemeen wordt aangenomen dat kosmische inflatie, een tijdperk waarin het universum zich exponentieel uitbreidde, voorafging aan de oerknal.

"Kosmische inflatie zorgde voor een zeer energetische omgeving, waardoor de productie van zware nieuwe deeltjes en hun interacties mogelijk werd", zei Cui. "Het inflatoire universum gedroeg zich net als een kosmologische botser, behalve dat de energie tot 10 miljard keer groter was dan welke door mensen gemaakte botser dan ook."

Volgens Cui werden microscopische structuren gecreëerd door energetische gebeurtenissen tijdens inflatie uitgerekt naarmate het universum uitdijde, wat resulteerde in gebieden met verschillende dichtheid in een verder homogeen universum. Vervolgens hebben deze microscopische structuren de grootschalige structuur van ons universum gezaaid, die zich vandaag manifesteert als de verspreiding van sterrenstelsels aan de hemel. Cui legde uit dat nieuwe subatomaire deeltjesfysica kan worden onthuld door de afdruk van de kosmologische botser in de huidige inhoud van de kosmos te bestuderen, zoals sterrenstelsels en de kosmische microgolfachtergrond.

Cui en Zhong-Zhi Xianyu, een assistent-professor natuurkunde aan de Tsinghua University, rapporteren in het tijdschrift Physical Review Letters dat door de fysica van de kosmologische botser toe te passen en precisiegegevens te gebruiken voor het meten van de structuur van ons universum van aanstaande experimenten zoals SPHEREx en 21 cm-lijntomografie, het mysterie van de kosmische oorsprong van materie kan worden ontrafeld.

"Het feit dat ons huidige universum wordt gedomineerd door materie, blijft een van de meest verbijsterende, langdurige mysteries in de moderne natuurkunde", zei Cui. "Een subtiele onbalans of asymmetrie tussen materie en antimaterie in het vroege universum is vereist om de huidige dominantie van materie te bereiken, maar kan niet worden gerealiseerd binnen het bekende raamwerk van de fundamentele fysica."

Leptogenese te hulp

Cui en Xianyu stellen voor om leptogenese te testen, een bekend mechanisme dat de oorsprong van de baryon-zichtbare gas en sterren-asymmetrie in ons universum verklaart. Als het universum was begonnen met gelijke hoeveelheden materie en antimaterie, zouden ze elkaar hebben vernietigd tot fotonstraling en niets hebben achtergelaten. Aangezien materie tegenwoordig veel groter is dan antimaterie, is asymmetrie vereist om de onbalans te verklaren.

"Leptogenese is een van de meest dwingende mechanismen die de asymmetrie tussen materie en antimaterie genereren," zei Cui. "Het gaat om een ​​nieuw fundamenteel deeltje, het rechtshandige neutrino. Lange tijd werd gedacht dat het testen van leptogenese bijna onmogelijk is omdat de massa van het rechtshandige neutrino typisch vele orden van grootte is die buiten het bereik van de hoogste energie liggen. botser ooit gebouwd, de Large Hadron Collider."

Het nieuwe werk stelt voor om leptogenese te testen door de gedetailleerde statistische eigenschappen van de ruimtelijke verdeling van objecten in de kosmische structuur die vandaag wordt waargenomen te decoderen, die doen denken aan de microscopische fysica tijdens kosmische inflatie. Het kosmologische botsingseffect, zo stellen de onderzoekers, maakt de productie van het superzware rechtshandige neutrino mogelijk tijdens het inflatoire tijdperk.

"In het bijzonder laten we zien dat essentiële voorwaarden voor het genereren van asymmetrie, inclusief de interacties en massa's van het rechtshandige neutrino, dat hier de belangrijkste speler is, onderscheidende vingerafdrukken kunnen achterlaten in de statistieken van de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels of kosmische microgolfachtergrond en nauwkeurig kan worden gemeten," zei Cui. "De astrofysische waarnemingen die de komende jaren worden verwacht, kunnen dergelijke signalen mogelijk detecteren en de kosmische oorsprong van materie ontrafelen." + Verder verkennen

Het universum gebruiken als een 'kosmologische botser' (Update)