Die Gesetze der Physik waren nicht immer symmetrisch, was möglicherweise erklärt, warum Sie existieren

Über Generationen hinweg waren sich Physiker sicher, dass die Gesetze der Physik vollkommen symmetrisch seien. Bis sie es nicht mehr waren.

Symmetrie ist eine aufgeräumte und attraktive Idee, die in unserem unordentlichen Universum auseinanderfällt. Tatsächlich ist seit den 1960er Jahren eine Art Symmetriebruch erforderlich, um zu erklären, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt – das heißt, warum überhaupt etwas davon existiert.

Es war jedoch unmöglich, die Ursache dieser existenziellen Symmetrieverletzung zu bestimmen oder auch nur Beweise dafür zu finden.

Doch in einem neuen Artikel veröffentlicht in Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society, haben Astronomen der University of Florida den ersten Beweis für diese notwendige Verletzung der Symmetrie zum Zeitpunkt der Schöpfung gefunden. Die UF-Wissenschaftler untersuchten satte Millionen Billionen dreidimensionaler galaktischer Vierlinge im Universum und entdeckten, dass das Universum einst einen Satz von Formen gegenüber ihren Spiegelbildern bevorzugte.

Diese Idee, die als Verletzung der Paritätssymmetrie bekannt ist, weist auf einen verschwindend kleinen Zeitraum in der Geschichte unseres Universums hin, in dem die Gesetze der Physik anders waren als heute, mit enormen Konsequenzen für die Entwicklung des Universums.

Der mit einem hohen Maß an statistischer Sicherheit ermittelte Befund hat zwei Hauptkonsequenzen. Erstens konnte sich diese Paritätsverletzung nur während einer Periode extremer Inflation in den frühesten Augenblicken des Universums in den zukünftigen Galaxien niederschlagen und bestätigte damit einen zentralen Bestandteil der Urknalltheorie über den Ursprung des Kosmos.

Eine Paritätsverletzung würde auch dazu beitragen, die vielleicht wichtigste Frage der Kosmologie zu beantworten: Warum gibt es etwas statt nichts? Denn eine Paritätsverletzung ist erforderlich, um zu erklären, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt, eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass sich Galaxien, Sterne, Planeten und Leben auf die Art und Weise bilden, wie sie es getan haben.

„Ich habe mich schon immer für große Fragen zum Universum interessiert. Was ist der Anfang des Universums? Nach welchen Regeln entwickelt es sich? Warum gibt es etwas und nicht nichts?“ sagte Zachary Slepian, ein UF-Astronomieprofessor, der die neue Studie betreute. „Diese Arbeit befasst sich mit diesen großen Fragen.“

Slepian arbeitete mit dem UF-Postdoktoranden und Erstautor der Studie, Jiamin Hou, und dem Physiker Robert Cahn vom Lawrence Berkeley National Laboratory zusammen, um die Analyse durchzuführen. Das Trio veröffentlichte seine Ergebnisse am 22. Mai in der Zeitschrift Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Dieselben Forscher schlugen erstmals in einem Artikel, der ebenfalls kürzlich in veröffentlicht wurde, die Idee vor, anhand von Galaxienvierlingen nach Paritätsverletzungen zu suchen Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Paritätssymmetrie ist die Idee, dass physikalische Gesetze nicht eine Form gegenüber ihrem Spiegelbild bevorzugen sollten. Wissenschaftler verwenden zur Beschreibung dieser Eigenschaft üblicherweise die Sprache der „Händigkeit“, da unsere linke und rechte Hand Spiegelbilder sind, mit denen wir alle vertraut sind. Es gibt keine Möglichkeit, Ihre linke Hand in drei Dimensionen zu drehen, damit sie wie Ihre rechte Hand aussieht, sodass sie immer voneinander unterscheidbar sind.

Eine Paritätsverletzung würde bedeuten, dass das Universum entweder links- oder rechtshändige Formen bevorzugt. Um die Händigkeit des Universums zu entdecken, stellte sich Slepians Labor alle möglichen Kombinationen von vier Galaxien vor, die durch imaginäre Linien im Raum verbunden sind. Dadurch entsteht ein 3D-Objekt namens Tetraeder, ähnlich einer schiefen Pyramide – die einfachste Form, die ein Spiegelbild hat. Sie definierten rechts- und linkshändige galaktische Tetraeder basierend darauf, wie Galaxien in diesen imaginären Formen mit ihren nächsten und am weitesten entfernten Partnern verbunden waren.

Ihre Methode erforderte die Analyse einer Billion imaginärer Tetraeder für jede von einer Million Galaxien, eine unglaubliche Anzahl von Kombinationen. „Irgendwann wurde uns klar, dass wir neue Mathematik brauchten“, sagte Slepian.

Deshalb entwickelte Slepians Team ausgefeilte mathematische Formeln, die es ermöglichten, die umfangreichen Berechnungen in einem angemessenen Zeitraum durchzuführen. Es erforderte immer noch eine beträchtliche Menge an Rechenleistung. „Die einzigartige Technologie von UF, die wir hier mit dem Supercomputer HiPerGator haben, ermöglichte es uns, die Analyse tausende Male mit unterschiedlichen Einstellungen durchzuführen, um unser Ergebnis zu testen“, sagte er.

Die technischen Aspekte der Analyse machen es schwierig zu sagen, ob das Universum „rechtshändige“ oder „linkshändige“ Formen bevorzugt, aber die Wissenschaftler sahen klare Beweise dafür, dass der Kosmos tatsächlich eine Präferenz hat. Sie stellten ihren Befund mit einem Grad an Sicherheit fest, der als Seven Sigma bekannt ist und ein Maß dafür ist, wie unwahrscheinlich es ist, das Ergebnis allein aufgrund des Zufalls zu erzielen. In der Physik gilt ein Ergebnis mit einem Sigma-Wert von fünf oder höher typischerweise als zuverlässig, da die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Ergebnisses auf diesem Niveau verschwindend gering ist. Eine ähnliche Analyse, die von einem ehemaligen Mitglied des Slepian-Labors durchgeführt wurde, ergab die gleiche universelle Formpräferenz, wenn auch mit etwas geringerer statistischer Sicherheit aufgrund von Unterschieden im Studiendesign.

Obwohl die Wissenschaftler von diesem Signal einer Paritätsverletzung überzeugt sind, bleibt es möglich, dass die Unsicherheit in den zugrunde liegenden Messungen die Asymmetrie erklären könnte. Glücklicherweise könnten viel größere Galaxienproben von Teleskopen der nächsten Generation genügend Daten liefern, um diese Unsicherheiten in nur wenigen Jahren zu beseitigen. Slepians Gruppe an der UF wird ihre Analyse dieser neuen, robusteren Daten als Teil des Teleskopteams des Dark Energy Spectroscopic Instrument durchführen.

Dies ist nicht das erste Mal, dass eine Paritätsverletzung entdeckt wurde, aber es ist der erste Beweis für eine Paritätsverletzung, die sich auf die dreidimensionale Ansammlung von Galaxien im Universum auswirken könnte. Eine der fundamentalen Kräfte, die schwache Kraft, verletzt ebenfalls die Parität. Seine Reichweite ist jedoch äußerst begrenzt und er kann die Größe der Galaxien nicht beeinflussen. Dieser galaktische Einfluss würde erfordern, dass genau zum Zeitpunkt des Urknalls eine Paritätsverletzung auftritt, eine Periode, die als Inflation bekannt ist.

„Da eine Paritätsverletzung nur während der Inflation in das Universum eingeprägt werden kann, liefert das, wenn das, was wir herausgefunden haben, wahr ist, einen überzeugenden Beweis für die Inflation“, sagte Slepian.

Auch die Paritätsverletzung der schwachen Kraft konnte die Fülle der Materie nicht erklären. In einem symmetrischen Universum hätte der Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie erzeugen müssen, die sich gegenseitig vernichtet hätten und das Universum ohne Sterne und Planeten zurückgelassen hätten. Da es sich eindeutig um ein Universum handelte, das größtenteils aus Materie bestand, suchten Physiker lange nach Anzeichen einer Asymmetrie in der frühen Schöpfung.

Die Ergebnisse von Slepians Labor können noch nicht erklären, wie wir zu dieser entscheidenden Menge an Materie gelangten. Das „Wie“ erfordert eine neue Physik, die über das Standardmodell hinausgeht, das unser aktuelles Universum erklärt. Die neuen Ergebnisse deuten jedoch stark darauf hin, dass es in den frühesten Momenten des Urknalls eine Asymmetrie gab.

Nun geht es für Wissenschaftler darum, eine Theorie zu entwickeln, die die Spiegelbildpräferenz des Universums und den Überschuss an Materie erklären kann.