物理学者たちは、空の銀河の配列に顕著な非対称性を発見したと信じています。 もしそれが確認されれば、発見はビッグバンの間に働いていた未知の基本法則の特徴を指し示すだろう.

「この結果が本当なら、誰かがノーベル賞を受賞するだろう」 マーク・カミオンコウスキー、分析に関与していないジョンズ・ホプキンス大学の物理学者。

ドットをつなぐという宇宙ゲームをプレイしているかのように、研究者たちは 1 つの銀河のセットの間に線を引き、四面体と呼ばれる四隅の形状を構築しました。 彼らが XNUMX 万個の銀河のカタログから考えられるすべての四面体を構築したとき、一方向に向いている四面体の数が鏡像を上回っていることがわかりました。

四面体とその鏡像との間の不均衡のヒントが最初に発見されました 報告 by オリバー・フィルコックス、ニューヨークのコロンビア大学の天体物理学者、で発表された論文で フィジカルレビューD 九月に。 同時に行われた独立した分析では、現在ピアレビューを受けています。 ホウ・ジアミン & ザカリー・スレピアン フロリダ大学の ロバート・カーン ローレンス・バークレー国立研究所 検出された 物理学者が通常決定的なものと考える統計的確実性のレベルを伴う非対称性。

しかし、このような大ヒットの発見、そしてまだ調査中の発見により、専門家は注意が必要だと言います.

「彼らが間違いを犯した明確な理由はない」と述べた。 ショーン・ホッチキス、オークランド大学の宇宙学者。 「それは間違いがないという意味ではありません。」

推定上の不均衡は、「パリティ」と呼ばれる対称性、つまり左右の等価性に違反しています。 観測結果が精査に耐えられる場合、物理学者は、宇宙で発達したすべての構造の種を蒔いた原始プロセスの未知のパリティ違反成分を反映しているに違いないと考えています。

「これは信じられないほどの結果です。本当に印象的です」とカミオンコウスキーは言いました。 「私はそれを信じますか？ 本当に祝うのを待つつもりです。」

左利きの宇宙

パリティは、かつて物理学の重要な対称性でした。 しかしその後、1957 年に中国系アメリカ人の物理学者、Chien-Shiung Wu が核崩壊実験を行いました。 明らかになった 私たちの宇宙は確かにそれに対してわずかに利き手を持っている.核崩壊を引き起こす弱い核力に関与する素粒子は、それらが移動する方向とは常に反対の方向に磁気的に配向されているため、左翼の糸のように螺旋を描く. -利きネジ。 鏡像の粒子 (右ねじのようなもの) は、弱い力を感じません。

ウーの啓示は衝撃的でした。 物理学者のジョン・ブラットは、ヴォルフガング・パウリに宛てた手紙の中で、「私たちは皆、最愛の友人であるパリティの死にかなり動揺しています。

弱い力の左利きには、銀河規模の宇宙に影響を与えることができなかった微妙な効果があります。 しかし、ウーの発見以来ずっと、物理学者は、宇宙がその鏡像と異なる他の方法を探してきました.

たとえば、宇宙が初期段階にあったときに原始パリティ違反が有効であった場合、宇宙の構造にひねりを加えた可能性があります。

宇宙の誕生時またはその近くで、インフレトンとして知られる場が宇宙に浸透したと考えられています。 インフレトン粒子が絶えず泡立っては消えていく渦巻く沸騰媒体であり、インフレトン場も反発的でした。 それが存在していたかもしれない短い間、それは私たちの宇宙を元のサイズの100兆倍に急速に拡大させたでしょう. インフレトン場内の粒子の量子ゆらぎはすべて外側に飛び出し、宇宙に凍りつき、物質の密度の変化となった。 より密度の高いポケットは重力で合体し続け、今日見られる銀河と大規模な構造を生み出しました。

1999年、カミオンコウスキーらの研究者が 見なさ この爆発の前に複数のフィールドが存在していたらどうなるでしょうか。 inflaton フィールドは、右手系および左手系の粒子を生成できる別のフィールドと相互作用した可能性があります。 inflaton が右手系のパーティクルを左手系のパーティクルとは異なる方法で処理した場合、一方の右手系のパーティクルを他方よりも優先的に作成できた可能性があります。 このいわゆるチャーン-サイモンズ結合は、初期の量子ゆらぎに好ましい利き手を吹き込み、銀河の左手と右手の四面体配置の不均衡に発展したと考えられます。

追加のフィールドが何であるかについては、XNUMX つの可能性は重力フィールドです。 このシナリオでは、パリティに違反するチャーン-サイモンズ相互作用が、インフレトン粒子とグラビトン (重力の量子単位) の間で発生し、インフレーション中に重力場に現れます。 このような相互作用は、初期の宇宙の密度の変化に利き手を生み出し、その結果、今日の大規模な構造に影響を与えたと考えられます。

2006年には、 ステフォン・アレクサンダー、現在ブラウン大学の物理学者、 提案しました Chern-Simons 重力は、宇宙論における最大の謎の XNUMX つを解決する可能性もあると考えています。それは、なぜ私たちの宇宙には反物質よりも多くの物質が含まれているのかということです。 彼は、チャーン-シモンズ相互作用が左巻きのグラビトンを相対的に大量に生成し、それが今度は右巻きの反物質よりも左巻きの物質を優先的に生成した可能性があると推測しました。

アレクサンダーのアイデアは、何年もの間、あまり知られていませんでした。 新しい発見について聞いたとき、彼は「それは大きな驚きでした」と言いました。

天空の四面体

カーンは、初期宇宙で物質と反物質の非対称性パズルをパリティの破れで解決できる可能性は「推測的であると同時に、挑発的でもある」と考えました。 2019 年に、彼は Sloan Digital Sky Survey の銀河のカタログでパリティ違反を探すことにしました。 彼は何かが見つかるとは思っていませんでしたが、チェックする価値があると思いました。

銀河の分布がパリティを尊重するか違反するかをテストするために、彼と彼の共同研究者は、3 つの銀河の四面体配列を研究する必要があることを知っていました。 これは、四面体が最も単純な 3 次元形状であり、2D オブジェクトのみがパリティに違反する可能性があるためです。 これを理解するために、あなたの手を考えてみてください。 手は XNUMXD であるため、左の手を回転させて右のように見せる方法はありません。 両手の親指が左側にくるように左手をひっくり返しますが、手のひらは反対方向を向いています。 対照的に、紙に左手をなぞって XNUMXD 画像を切り取ると、切り取った部分を裏返すと右手のように見えます。 カットアウトとその鏡像は見分けがつきません。

2020 年、Slepian と Cahn は、空の左巻き銀河と右巻き銀河の数を比較するために、銀河の四面体配置の「利き手」を定義する方法を思いつきました。 最初に彼らは銀河を取り、他の XNUMX つの銀河までの距離を調べました。 右ねじのように時計回りに距離が増加する場合、彼らは四面体を右ねじと呼びました。 反時計回りに距離が長くなる場合は、左利きです。

宇宙全体が好ましい利き手を持っているかどうかを判断するために、彼らは 1 万個の銀河のデータベースから構築されたすべての四面体に対して分析を繰り返さなければなりませんでした。 そのような四面体は約 1 兆個あり、一度に XNUMX つずつ処理するのは困難なリストです。 しかし、ファクタリングのトリックが開発されました 以前の仕事 別の問題を解決することで、研究者は四面体のパリティをより全体的に見ることができました。一度に XNUMX つの四面体を組み立ててそのパリティを決定するのではなく、各銀河を順番に取り、その銀河からの距離に従って他のすべての銀河をグループ化することができました。タマネギの層のような層を作成します。 各層の銀河の相対位置を球面調和関数と呼ばれる角度の数学関数で表現することで、XNUMX つの層のセットを体系的に組み合わせて集合的な四面体を作ることができました。

研究者は次に、物理学のパリティ保存法則に基づく予想と結果を比較しました。 Hou はこのステップを主導し、宇宙の進化をシミュレートすることによって生成された銀河の偽のカタログを分析し、パリティを維持する小さな密度変化から始めました。 これらの模擬カタログから、ホウと彼女の同僚は、鏡面対称の世界であっても、左手と右手の四面体の集計がランダムにどのように変化するかを判断できました。

チームは、実際のデータで「XNUMX シグマ」レベルのパリティ違反を発見しました。これは、左手と右手の四面体の間の不均衡が、ランダムな偶然やその他の考えられる誤差の原因から予想される値の XNUMX 倍の大きさであることを意味します。

Kamionkowski は、「彼らがそれを行うことができたことは信じられない」と述べ、「技術的には、まったく驚くべきことです。 これは本当に、本当に、本当に複雑な分析です。」

Philcox は同様の方法を使用しました (そして、Hou、Slepian、および Cahn とのそのような分析を提案するいくつかの初期の論文を共著しました) が、彼はいくつかの異なる選択をしました。分析からの四面体 — したがって、パリティのより控えめな 2.9 シグマ違反が見つかりました。 研究者は現在、分析の違いを研究しています。 データを理解するための広範な努力の後でも、すべての関係者は慎重なままです。

裏付けとなる証拠

この驚くべき発見は、宇宙に関する長年の疑問に答える可能性のある新しい物理学を示唆しています。 しかし、その取り組みはまだ始まったばかりです。

まず、物理学者は観測結果を検証 (または反証) する必要があります。 分析を繰り返すための新しい野心的な銀河調査がすでに進行中です。 たとえば、進行中のダーク エネルギー分光装置の調査では、これまでに 14 万の銀河が記録されており、完了すると 30 万を超える銀河が含まれることになります。 「これにより、はるかに優れた統計を使用して、これをより詳細に調べる機会が得られます」と Cahn 氏は述べています。

さらに、パリティ違反信号が本物である場合、銀河の分布以外のデータにも現れる可能性があります。 たとえば、空にある最も古い光 — 宇宙マイクロ波背景放射として知られ、初期の宇宙から残された放射の風呂 — は、宇宙の空間変動の最も初期のスナップショットを提供します。 この光のまだら模様には、後に形成された銀河と同じパリティ違反の相​​関関係が含まれているはずです。 物理学者は、光の中にそのような信号を見つけることができるはずだと言います。

注目すべきもうXNUMXつの場所は、確率的重力波背景と呼ばれる、インフレーション中に生成された可能性のある重力波のパターンです。 時空間ファブリック内のこれらのコルクスクリューのような波紋は、右巻きまたは左巻きの可能性があり、パリティ保存の世界では、それぞれが同量含まれます。 したがって、物理学者がこの背景を測定し、片手が有利であることを発見した場合、これは、初期宇宙におけるパリティ違反物理学の明確で独立したチェックとなる.

裏付けとなる証拠の調査が始まると、理論家はシグナルを生成した可能性のあるインフレのモデルを研究します。 と ジョバンニ・カバスニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の理論物理学者である Philcox は、最近、彼の測定値を使用して次のことを行いました。 多数のパリティ違反モデルをテストする チャーン・シモンズ型のものを含むインフレの。 (彼らは、もしあれば、どのモデルが正しいか、まだ確信を持って言うことはできません.)

Alexander はまた、Chern-Simons の重力を理解することに再び力を注いでいます。 カミオンコウスキーをはじめとする共同研究者と シリル・クレケ＝サルビノフスキ フラットアイアン研究所の計算天体物理学センターのアレクサンダー博士は、初期宇宙におけるチャーン-シモンズ重力が今日の銀河の分布にどのように影響するかについて、微妙な詳細を調べ始めました。

「私はしばらくの間、このことを推し進める孤独な兵士のようなものでした」と彼は言いました。 「人々が興味を持っているのを見るのは良いことです。」

編集者注: Flatiron Institute は、編集が独立したこの雑誌をサポートしている Simons Foundation から資金提供を受けています。 さらに、オリバー・フィルコックスはシモンズ財団から資金提供を受けています。