Evrenin var olmasının anahtarı, bilimin bir zamanlar göz ardı ettiği 1800’lerdeki düğüm fikrinde yatıyor olabilir

1867’de Lord Kelvin atomları eterdeki düğümler olarak hayal etti. Fikir çok geçmeden çürütüldü. Atomların tamamen başka bir şey olduğu ortaya çıktı. Ancak onun bir kenara attığı vizyonu, evrenin neden var olduğunun anahtarını hâlâ elinde tutuyor olabilir.

Şimdi ilk kez Japon fizikçiler, nötrino kütleleri, karanlık madde ve güçlü CP problemi gibi derin bulmacaları da ele alan gerçekçi bir parçacık fiziği çerçevesinde düğümlerin ortaya çıkabileceğini gösterdiler.

Bulguları, Fiziksel İnceleme Mektuplarıbunları öner “kozmik düğüm” çalkantılı yeni doğmuş evrende oluşmuş ve kısa bir süreliğine hakim olmuş olabilir, maddeyi antimaddeye tercih edecek şekilde çökebilir ve uzay-zamanda gelecekteki dedektörlerin duyabileceği benzersiz bir uğultu bırakabilir; bu, araştırılması oldukça zor olan bir fizik gizemi için nadir görülen bir durumdur.

“Bu çalışma fizikteki en temel gizemlerden birini ele alıyor: Evrenimiz neden antimaddeden değil de maddeden oluşuyor?” söz konusu çalışmanın ilgili yazarı Muneto Nitta, Hiroşima Üniversitesi’nin Düğümlü Kiral Meta Maddesi (WPI-SKCM) ile Uluslararası Sürdürülebilirlik Enstitüsü’nde profesör (özel randevu)²) Japonya’da.

“Bu soru önemlidir çünkü yıldızların, galaksilerin ve bizim neden var olduğumuza doğrudan değinmektedir.”

Evrenin kayıp antimaddesi

Büyük Patlamanın eşit miktarda madde ve antimadde üretmesi, her bir parçacığın ikizini yok etmesi ve geriye sadece radyasyon kalması gerekirdi. Ancak evren büyük oranda maddeden oluşuyor ve görünürde neredeyse hiç antimadde yok. Hesaplamalar, atomlardan galaksilere kadar bugün gördüğümüz her şeyin, her milyar madde-antimadde çiftine karşılık yalnızca bir fazladan madde parçacığının hayatta kalması nedeniyle var olduğunu gösteriyor.

Parçacık fiziğinin Standart Modeli, olağanüstü başarısına rağmen bu çelişkiyi açıklayamıyor. Tahminleri pek çok büyüklükte yetersiz kalıyor. Baryogenez olarak bilinen bu çok küçük madde fazlasının kökenini açıklamak, fiziğin çözülmemiş en büyük bilmecelerinden biridir.

Hiroşima Üniversitesi WPI-SKCM’den Nitta ve Minoru Eto²Almanya’daki Deutsches Elektronen-Synchrotron’dan Yu Hamada ile birlikte çalışarak ölçekler ve disiplinler arasında düğümlü ve kiral fenomenleri incelemek üzere oluşturulmuş bir enstitü olan , göz önünde saklanan bir cevap bulduklarına inanıyorlar.

Ekip, ölçülmüş bir Baryon Sayısı Eksi Lepton Sayısı (BL) simetrisini Peccei-Quinn (PQ) simetrisiyle birleştirerek, düğümlerin erken evrende doğal olarak oluşabileceğini ve gözlemlenen fazlalığı oluşturabileceğini gösterdi.

Eto aynı zamanda Yamagata Üniversitesi’nde profesördür ve her üç araştırmacı da Japonya’daki Keio Üniversitesi’ne bağlıdır.

Hayalet parçacıkları

Standart Modelin uzun süredir üzerinde çalışılan bu iki uzantısı, en kafa karıştırıcı boşluklarından bazılarını kapatıyor. PQ simetrisi, güçlü CP problemini, teorinin nötron için öngördüğü küçük elektrik dipol momentini deneylerin neden tespit edemediği bilmecesini çözüyor ve bu süreçte, önde gelen karanlık madde adayı olan axion’u tanıtıyor. Bu arada, B-L simetrisi, fark edilmeden tüm gezegenlerin içinden geçip gidebilen hayalet benzeri parçacıklar olan nötrinoların neden kütleye sahip olduğunu açıklıyor.

PQ simetrisini ölçmek yerine küresel tutmak, güçlü CP problemini çözen hassas eksen fiziğini korur. Fizikte, “ölçme” simetri, uzay-zamanın her noktasında serbestçe hareket etmesine izin vermek anlamına gelir. Ancak bu yerel özgürlüğün bir bedeli var. Tutarlılığı korumak için doğanın denklemleri yumuşatacak yeni bir kuvvet taşıyıcısı sunması gerekir.

Araştırmacılar, B-L simetrisini ölçerek, yalnızca teoriyi anormallikten uzak ve önde gelen baryogenez modellerinin merkezinde tutmak için gerekli olan ağır sağ-elli nötrinoların varlığını garanti etmekle kalmadı, aynı zamanda muhtemelen evrenin en eski düğümlerinden bazıları için manyetik omurga sağlayan süper iletken bir davranış da ortaya koydu.

Kıvranan kozmik emanetler

Evren, Büyük Patlama’dan sonra soğudukça, simetrileri bir dizi faz geçişi yoluyla kırıldı ve tıpkı buzun eşit olmayan şekilde donması gibi, arkasında kozmik sicimler adı verilen iplik benzeri kusurlar, birçok kozmologun hala orada olabileceğine inandığı uzay-zamandaki varsayımsal çatlaklar bırakmış olabilir. Bir protondan daha ince olmasına rağmen, bir inçlik sicim dağlardan daha ağır olabilir.

Evren genişledikçe, bu iplikçiklerden oluşan kıvranan bir ağ, bir zamanlar hüküm süren ilkel koşulların izlerini taşıyarak esneyecek ve karışacaktı.

B-L simetrisinin kırılması manyetik akı tüpü dizileri üretirken, PQ simetrisi akı içermeyen süperakışkan girdaplara yol açtı. Onları uyumlu kılan şey onların kontrastıdır.

BL akış tüpü, PQ süperakışkan girdabının Chern-Simons’a tutunacak bir şey bağlamasını sağlar. Ve buna karşılık, bağlantı, PQ süperakışkan vorteks pompasının BL akış tüpüne yüklenmesini sağlar ve normalde döngünün kırılmasına neden olan gerilime karşı koyar. Sonuç, düğüm soliton adı verilen yarı kararlı, topolojik olarak kilitli bir konfigürasyondu.

“Hiç kimse bu iki simetriyi aynı anda incelememişti.” dedi Nitta. “Bu bizim için biraz şanslıydı. Bunları bir araya getirmek istikrarlı bir düğüm ortaya çıkardı.”

Hayalet benzeri bariyer geçişleri

Radyasyon, dalgaları uzay-zamanla birlikte genişledikçe enerji kaybederken, düğümler madde gibi davranarak çok daha yavaş soluyor. Çok geçmeden diğer her şeyi geride bıraktılar ve evrene radyasyonun değil enerji yoğunluklarının hükmettiği, düğümlerin hakim olduğu bir çağ başlattılar. Ancak bu saltanat uzun sürmedi.

Düğümler sonunda parçacıkların enerji bariyerlerinden sanki hiç yokmuş gibi geçtikleri hayalet benzeri bir süreç olan kuantum tünelleme yoluyla çözüldü.

Çöküşleri, yapılarına örülmüş B-L simetrisinin yerleşik bir sonucu olan, ağır sağ-elli nötrinolar yarattı. Bu devasa hayalet parçacıklar daha sonra antimadde yerine maddeye doğru hafif bir eğilimle daha hafif, daha kararlı formlara bozunarak bize şu anda bildiğimiz evreni verdi.

“Temel olarak bu çöküş, sağanak gibi nötrinolar, skaler bozonlar ve ayar bozonu da dahil olmak üzere çok sayıda parçacık üretir.” çalışmanın ortak yazarı Hamada açıklıyor.

“Bunlar arasında sağ elini kullanan nötrinolar özeldir çünkü bozunmaları doğal olarak madde ve antimadde arasında dengesizlik yaratabilir. Bu ağır nötrinolar elektronlar ve fotonlar gibi daha hafif parçacıklara bozunarak evreni yeniden ısıtan ikincil bir çağlayan yaratır.”

“Bu anlamda,” ekledi, “onlar, kendi bedenlerimiz de dahil olmak üzere, bugün evrendeki tüm maddelerin ebeveynleridir; düğümler ise büyükanne ve büyükbabalarımız olarak düşünülebilir.”

Birbirine bağlamak

Araştırmacılar modellerinde kodlanan matematiği (düğümlerin ne kadar verimli şekilde sağ-elli nötrinolar ürettiğini, bu nötrinoların ne kadar büyük olduğunu ve evrenin bozunduktan sonra yeniden ne kadar sıcak olduğunu) takip ettiğinde, bugün gözlemlediğimiz madde-antimadde dengesizliği denklemden doğal olarak ortaya çıktı.

Formülü yeniden düzenlemek ve 10’luk gerçekçi bir kütleyi yerine koymak¹² Ağır sağ nötrinolar için giga-elektronvolt (GeV) ve düğümlerin depolanan enerjilerinin çoğunu bu parçacıkları oluşturmaya yönlendirdiğini varsayarsak, model doğal olarak 100 GeV’lik bir yeniden ısıtma sıcaklığına indi.

Bu sıcaklık tesadüfen evrenin madde üretimi için son penceresini işaret ediyor. Daha soğuk olursa, nötrino dengesizliğini maddeye dönüştüren elektrozayıf reaksiyonlar tamamen durur.

Yeniden 100 GeV’ye ısıtılması aynı zamanda evrenin kütleçekim dalgası korosunu da yeniden şekillendirerek onu daha yüksek frekanslara doğru eğmiş olacaktı. Avrupa’daki Lazer Girişimölçer Uzay Anteni (LISA), Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Kozmik Kaşif ve Japonya’daki Desi-hertz Girişimölçer Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (DECIGO) gibi geleceğin gözlemevleri bir gün bu ince ayar değişikliğini dinleyebilir.

“Kozmik sicimler bir tür topolojik solitondur; onları ne kadar bükerseniz ya da uzatsanız da aynı kalan niceliklerle tanımlanan nesnelerdir.” Eto dedi.

“Bu özellik yalnızca stabiliteyi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda sonucumuzun modelin özelliklerine bağlı olmadığı anlamına da gelir. Çalışma hala teorik olsa da temeldeki topoloji değişmiyor, dolayısıyla bunu gelecekteki gelişmelere yönelik önemli bir adım olarak görüyoruz.”

Kelvin başlangıçta düğümlerin maddenin temel yapı taşları olduğunu öne sürse de, araştırmacılar bulgularının “ilk kez düğümlerin maddenin kökeninde önemli bir rol oynayabileceği gerçekçi bir parçacık fiziği modeli sağladı.”

“Bir sonraki adım, bu düğümlerin oluşumunu ve bozulmasını daha iyi tahmin etmek ve bunların imzalarını gözlemsel sinyallerle ilişkilendirmek için teorik modelleri ve simülasyonları geliştirmektir.” dedi Nitta.

“Özellikle LISA, Cosmic Explorer ve DECIGO gibi gelecek kütleçekim dalgası deneyleri, evrenin gerçekten düğümlerin hakim olduğu bir dönemden geçip geçmediğini test edebilecek.”

Araştırmacılar, düğümlerin maddenin kökeni için gerekli olup olmadığını çözmeyi ve bunu yaparak evrenin başlangıcına dair daha kapsamlı bir hikaye oluşturmayı umuyorlar.