A fizikusok erős aszimmetriát felfedeztek a galaxisok elrendeződésében, és ha ez megerősítést nyer, fontos információkra derülhet fény az ősrobbanás idején működő ismeretlen alaptörvényekről. A kutatás módja első hallásra kicsit bizarrnak tűnik: a szakértők egy kozmikus szintű „összekötős” játékot játszottak, vagyis kiválasztottak négy galaxist, és vonalakat húztak a közéjük, úgynevezett tetraédereket alkotva.
Amikor egy 1 millió galaxist tartalmazó katalógus elemeiből minden lehetséges tetraédert megrajzoltak, úgy találták, hogy az egyik irányba tájolt tetraéderek száma meghaladja azok tükörképeiét.
A tetraéderek és tükörképeik egyenlőtlen eloszlásával kapcsolatos első adatokat Oliver Philcox, a Columbia Egyetem asztrofizikusa közölte a Physical Review D című folyóiratban szeptemberben megjelent tanulmányában. Egy ezzel párhuzamosan végzett független elemzésben, amely jelenleg lektori ellenőrzés alatt áll, Jiamin Hou és Zachary Slepian a Floridai Egyetemről, valamint Robert Cahn a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumból olyan szintű statisztikai bizonyossággal észlelte az aszimmetriát, amit a fizikusok bizonyító erejűnek tekintenek.
A feltételezett egyenlőtlenség sérti a paritásnak nevezett szimmetriát, vagyis a bal- és a jobboldaliság egyensúlyi állapotát. Ha a megfigyelés kiállja a további vizsgálatokat, akkor a fizikusok szerint ez azt jelentené, hogy egy ismeretlen, a paritást sértő összetevő volt jelen abban ősfolyamatban, amely során az univerzumunkban kialakult összes szerkezet alapja formálódott.
Balkezes univerzum?
A paritás sértetlensége sokáig magától értetődőnek tűnt a fizikában. Ez a kép akkor kezdett árnyalódni, amikor 1957-ben Chien-Shiung Wu kínai-amerikai fizikus nukleáris bomlási kísérletei során kiderült, hogy univerzumunkban van egy enyhe oldalpreferencia. A gyenge kölcsönhatásban közreműködő szubatomi részecskék a mag bomlásakor mágnesesen mindig ellentétes irányba orientálódnak, mint amerre mozognak, így spirálisan haladnak, mint egy balkezes csavarmenet. A tükörfordított – a jobbkezes csavarmenethez hasonló utat bejáró – részecskék ugyanakkor nem vesznek részt a gyenge kölcsönhatásban.
Wu felfedezése sokkoló volt. „Mindannyiunkat nagyon megrázott szeretett barátunk, a paritás halála” – írta John Blatt fizikus Wolfgang Paulinak címzett levelében. A gyenge kölcsönhatás „balkezessége” ugyanakkor finom hatásokban nyilvánul meg, amelyek nem befolyásolhatták a kozmoszt galaktikus léptékben. Wu felfedezése óta a fizikusok más részleteket is feltártak, amelyek a paritás sérülését erősítik a világegyetem kapcsán.
Ezzel pedig mind azt sugallják, hogy a paritás már a kezdetek kezdetén is sérült, és ezért érhető tetten az oldaliság mindenféle szinteken.
A világegyetem születésének idején vagy akörül a teóriák szerint egy inflaton nevű mező hatotta át a teret. Ebben fortyogó közegben folyamatosan inflatonrészecskék bukkantak fel és tűntek el. A mező ráadásul jelentős taszító erőt is kifejtett: a rövid idő alatt, amíg feltehetően létezhetett, az univerzumunk eredeti méretének 100 kvadrilliószorosára tágult. Az inflatonmezőben lévő részecskék összes kvantumfluktuációja szintén kifelé „repült”, és gyakorlatilag beledermedt a kozmoszba, varianciákat hozva létre az anyag sűrűségében. A sűrűbb részek gravitációja újabb anyagot vonzott be, így jöttek létre a ma látható galaxisok és nagyméretű struktúrák alapjai.
1999-ben a kutatók azt kezdték vizsgálni, mi történne, ha a robbanás előtt egynél több ilyen mező lett volna jelen. A mezők ebben az esetben kölcsönhatásba léphettek egymással, ami miatt jobb- és balkezes részecskék jöhettek létre. Ha pedig inflaton másképp kezelte a jobbkezes részecskéket, mint a balkezeseket, akkor az egyik típus előnyre tehetett szert a másikkal szemben. Ez pedig végső soron megmagyarázhatja a galaktikus tetraéderek jobb- és balkezességében tapasztalt egyenlőtlenséget is.
Hogy mi lehetett a másik mező, azzal kapcsolatban az egyik lehetőség, hogy egy gravitációs mező volt. Egy ilyen forgatókönyv esetén paritást sértő kölcsönhatás lépne fel az inflatonrészecskék és a gravitonok – a gravitáció feltételezett közvetítőrészecskéi – között, és ez az aszimmetria a tágulás során a gravitációs mezőben is megnyilvánult volna. Egy ilyen kölcsönhatás a korai világegyetem sűrűségvarianciáit és a mai nagy struktúrák létrejöttét is megmagyarázza.
2006-ban Stephon Alexander fizikus azt is felvetette, hogy ez a feltételezett gravitációs mező megoldhatja a kozmológia egyik legnagyobb rejtélyét is: vagyis hogy miért van az univerzumunkban több anyag, mint antianyag. Feltételezése szerint a kezdeti kölcsönhatás a mezők között a balkezes gravitonok relatív bőségét eredményezhette, amelyek viszont előnyben részesítik a balkezes anyagot a jobbkezes antianyaggal szemben.
Tetraéderek az égen
Cahn az anyag-antianyag aszimmetria rejtélyének korai paritássértéssel való megoldását egyszerre találta spekulatívnak és provokatívnak. 2019-ben úgy döntött, hogy a Sloan Digital Sky Survey galaxiskatalógusában megpróbál nyomára akadni a teoretikus koncepciónak. Egyáltalán nem számított rá, hogy talál valamit, de úgy gondolta, hogy érdemes ellenőrizni.
Ahhoz, hogy tesztelni tudják, hogy a galaxisok eloszlása sérti vagy nem sérti a paritást, négy galaxis tetraéderes elrendezését választották kollégáival. A tetraéder ugyanis a legegyszerűbb háromdimenziós forma, és csak ilyen objektumoknak van lehetőségük a paritás megsértésére. Ennek megértéséhez gondoljunk a kezünkre. Mivel a kezek háromdimenziósak, nincs mód arra, hogy bal és jobb kezünket egymásba forgassuk. Ezzel szemben, ha egy papírlapra rajzolunk egy bal kezet, és kivágjuk a kivágatot megfordítva jobb kéznek fog tűnni. A kivágat és annak tükörképe megkülönböztethetetlen lesz.
2020-ban Slepian és Cahn kidolgozott egy módszert a galaktikus tetraéderek oldaliságának meghatározására, hogy összehasonlíthassák a bal- és jobbkezes elrendezések számát az égbolton. Ehhez vettek egy galaxist, és megnézték három másik galaxistól való távolságát. Ha a távolságok az óramutató járásával megegyező irányban nőttek, akkor a tetraédert jobbkezesnek nevezték. Ha a távolságok az óramutató járásával ellentétesen növekedtek, akkor balkezesnek minősült.
Annak megállapításához, hogy az univerzum egészének van-e preferált oldalisága, az 1 millió galaxisból álló adatbázisukból konstruált összes lehetséges tetraéderre el kellett végezniük az elemzést. Ez önmagában is döbbenetesen nagy munka volt, és több kreatív megoldást is igényelt. Az eredményeket aztán összevetették a paritás megőrződése esetén várható eredményekkel. Ehhez egy konstruált, paritást megőrző sűrűségvarianciákkal rendelkező kezdeti univerzum fejlődését szimulálták, majd annak „mai” galaxisait is elemezték a tetraéderes módszerrel.
A csapat a valós adatokban hét szigma mértékű paritássértést talált, ami azt jelenti, hogy a bal- és jobbkezes tetraéderek közötti egyenlőtlenség hétszer akkora volt, mint amekkora a véletlen nyomán várható lenne.
Philcox hasonló módszereket használt (társszerzőként is jegyez néhány korábbi cikket, amelyben Cahnékkal közösen foglalkoznak hasonló elemzések kidolgozásával), de ő kicsit másként végezte a munkát. Így szerényebb, 2,9 szigmás paritássértést talált. A kutatók jelenleg az elemzések közötti eltéréseket vizsgálják.
További bizonyítékok
A meglepő felfedezés egy olyan új fizikára utal, amely potenciálisan választ adhat az univerzummal kapcsolatban régóta fennálló számos kérdésre. A munka java azonban még csak most kezdődik.
Először a fizikusoknak igazolniuk (vagy cáfolniuk) kell a megfigyelést. Már folyamatban is vannak olyan új, ambiciózus égboltfelmérések, amelyeken megismételhető lehet az elemzés. A jelenleg is zajló Dark Energy Spectroscopic Instrument felmérés például eddig 14 millió galaxist regisztrált, és a végleges katalógus összesen több mint 30 milliót fog tartalmazni. „Ez lehetőséget kínál arra, hogy sokkal részletesebben, sokkal erősebb statisztikákkal vizsgáljuk meg a kérdést” – mondja Cahn.
Ráadásul, ha a paritást sértő jel valós, akkor a galaxisok eloszlásán kívül más adatokban is megmutatkozhat. Az égbolt legkorábbi fénye – a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás –a legkorábbi pillanatfelvételét adja a kozmosz legkorábbi térszerkezetének. Ezen fény foltos mintázatának elvileg már tartalmaznia kell ugyanazokat a paritássértő összefüggéseket, mint a később kialakult galaxisoknak. Csak meg kell találni ezeket.
Egy másik terület, ahol keresni fogják az anomáliákat, a tágulás során keletkezett gravitációs hullámok mintázata lesz. A téridő szövetének ezen fodrozódásai szintén lehetnek jobb- vagy balkezesek, és egy paritást őrző világban mindegyikből egyforma mennyiséget tartalmaznának.
Ha tehát a fizikusoknak sikerülne megmérniük ezt a hátteret, és azt találnák, hogy az egyik oldaliság előnyben részesül, az egyértelmű, független megerősítése lenne a korai univerzum fizikájának paritássértő voltára.
