De wetten van de natuurkunde zijn niet altijd symmetrisch geweest, wat misschien verklaart waarom jij bestaat

Generaties lang waren natuurkundigen ervan overtuigd dat de wetten van de natuurkunde perfect symmetrisch waren. Totdat het niet zo was.

Symmetrie is een leuk en aantrekkelijk idee dat uit elkaar valt in ons rommelige universum. Inderdaad, sinds de jaren zestig is er een soort gebroken symmetrie nodig om te verklaren waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is – waarom, dat wil zeggen, dat er iets van is.

Maar het was onmogelijk om de bron achter deze schending van existentiële symmetrie te identificeren, en er zelfs maar bewijs voor te vinden.

Echter, in een nieuw artikel gepubliceerd in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society, vonden astronomen van de Universiteit van Florida het eerste bewijs van deze noodzakelijke symmetriebreuk op het moment van creatie. UF-wetenschappers bestudeerden maar liefst een miljoen biljoen 3D galactische kwartetten in het universum en ontdekten dat het universum op een gegeven moment de voorkeur gaf aan een reeks vormen boven hun spiegelbeelden.

Dit idee, bekend als het breken van pariteitssymmetrie, verwijst naar een oneindig kleine periode in de geschiedenis van ons universum waarin de natuurwetten anders waren dan nu, met enorme gevolgen voor de manier waarop het universum evolueerde.

De bevinding, vastgesteld met een hoge mate van statistische betrouwbaarheid, heeft twee belangrijke implicaties. Ten eerste zou deze pariteitsschending alleen op toekomstige sterrenstelsels kunnen zijn afgedrukt tijdens een periode van extreme inflatie in het vroege universum, wat een centraal onderdeel van de oerknaltheorie over de oorsprong van het universum bevestigt.

Het verbreken van pariteit zou ook helpen bij het beantwoorden van misschien wel de meest cruciale vraag in de kosmologie: waarom is er iets in plaats van niets? Dit komt omdat er een schending van de pariteit nodig is om uit te leggen waarom er meer materie is dan antimaterie, een belangrijke voorwaarde voor sterrenstelsels, sterren, planeten en leven om zich te vormen zoals ze dat doen.

“Ik ben altijd geïnteresseerd geweest in de grote vragen over het universum. Wat is het begin van het universum? Wat zijn de regels waaronder het zich ontwikkelt? Waarom is er iets en niet niets?” zei Zachary Slepian, een UF-astronomieprofessor die toezicht hield op de nieuwe studie. “Dit project gaat in op deze grote vragen.”

Slepian werkte samen met UF postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur Jiamin Hou en Lawrence Berkeley National Laboratory fysicus Robert Cahn om de analyse uit te voeren. Het trio publiceerde hun bevindingen op 22 mei in het tijdschrift Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society. Dezelfde onderzoekers stelden voor het eerst het idee voor om te zoeken naar pariteitsschending met behulp van viervoudige sterrenstelsels in een artikel dat onlangs ook is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

Pariteitssymmetrie is het idee dat fysieke wetten een vorm niet mogen bevoordelen boven zijn spiegelbeeld. Wetenschappers gebruiken meestal de taal van “handigheid” om dit kenmerk te beschrijven, omdat onze linker- en rechterhand spiegelbeelden zijn die we allemaal kennen. Er is geen manier om je linkerhand in drie dimensies te draaien om eruit te zien als je rechterhand, wat betekent dat ze altijd niet van elkaar te onderscheiden zijn.

Schending van pariteit zou betekenen dat het universum een ​​voorkeur heeft voor linkshandige of rechtshandige vormen. Om de gevoeligheid van het universum te ontdekken, stelde het laboratorium van Slepian zich alle mogelijke combinaties voor van vier sterrenstelsels die door denkbeeldige lijnen in de ruimte zijn verbonden. Hierdoor ontstaat een driedimensionaal object dat een tetraëder wordt genoemd, zoals een schuine piramide – de eenvoudigste vorm die een spiegelbeeld heeft. Ze bepaalden met de klok mee en tegen de klok in galactische tetraëders op basis van hoe sterrenstelsels verbonden waren met hun dichtstbijzijnde en meest verre partners in deze denkbeeldige vormen.

Hun methode vereiste het analyseren van een biljoen denkbeeldige tetraëders voor elk van een miljoen sterrenstelsels, een duizelingwekkend aantal combinaties. “Uiteindelijk realiseerden we ons dat we nieuwe wiskunde nodig hadden,” zei Slepian.

Zo ontwikkelde het team van Slepian geavanceerde wiskundige formules waarmee de enorme berekeningen in een redelijke tijd konden worden uitgevoerd. Het vereiste nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid rekenkracht. “Dankzij de unieke UF-technologie die we hier hebben met de HiPerGator-supercomputer, konden we de analyse duizenden keren uitvoeren met verschillende instellingen om onze resultaten te testen”, zei hij.

De technische aspecten van de analyse maken het moeilijk te zeggen of het universum de voorkeur geeft aan “rechtshandige” of “linkshandige” vormen, maar wetenschappers zagen duidelijk bewijs dat het universum een ​​voorkeur heeft. Ze stelden hun bevindingen vast met een mate van zekerheid die bekend staat als zeven sigma, een maatstaf voor hoe onwaarschijnlijk het resultaat alleen op toeval zou zijn gebaseerd. In de natuurkunde wordt een resultaat met een sigmawaarde van vijf of hoger doorgaans als betrouwbaar beschouwd, omdat de kans op een willekeurig resultaat op dat niveau extreem klein is. Een vergelijkbare analyse, uitgevoerd door een voormalig lid van Slepian’s lab, vond dezelfde universele vormvoorkeur, zij het met iets minder statistische betrouwbaarheid vanwege verschillen in onderzoeksopzet.

Hoewel wetenschappers vertrouwen hebben in dit pariteitsschendingssignaal, blijft het mogelijk dat onzekerheid in de onderliggende metingen de asymmetrie zou kunnen verklaren. Gelukkig zouden veel grotere monsters van sterrenstelsels van telescopen van de volgende generatie voldoende gegevens kunnen opleveren om deze onzekerheden in slechts een paar jaar uit te wissen. Het team van Slepian bij UF zal hun analyse uitvoeren op deze nieuwe, krachtigere gegevens als onderdeel van de Dark Energy Spectroscopic Instrument-groep.

Dit is niet de eerste keer dat een pariteitsschending is waargenomen, maar het is het eerste bewijs van een pariteitsschending die de 3D-clustering van sterrenstelsels in het universum zou kunnen beïnvloeden. Een van de fundamentele krachten, de zwakke kracht, schendt ook de pariteit. Maar het bereik is uiterst beperkt en kan de schaal van sterrenstelsels niet beïnvloeden. Deze galactische invloed zou een pariteitsschending vereisen om precies op het moment van de oerknal plaats te vinden, een periode die bekend staat als inflatie.

“Aangezien de pariteitsschending alleen tijdens inflatie in het universum kan worden ingeprent, levert het bewijs voor inflatie als wat we hebben gevonden waar is”, zei Slepian.

Evenmin kan schending van de pariteit van de zwakke kracht de overvloed aan materie verklaren. In een symmetrisch universum had de oerknal gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten creëren, die elkaar zouden hebben vernietigd en het universum zonder sterren en planeten zouden hebben achtergelaten. Omdat we duidelijk zijn geëindigd met een universum dat voornamelijk uit materie bestaat, hebben natuurkundigen lang gezocht naar tekenen van asymmetrie in de vroege schepping.

De bevindingen van het laboratorium van Slepian kunnen nog niet verklaren hoe we tot deze kritieke overvloed aan materie zijn gekomen. Het “hoe” vereist nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel, dat ons huidige universum verklaart. Maar de nieuwe resultaten suggereren sterk dat er een asymmetrie was in de vroege momenten van de oerknal.

Nu is de race voor wetenschappers begonnen om met een theorie te komen die de spiegelbeeldvoorkeur en overtollige materie van het universum kan verklaren.