Credit: NASA/ESA.
Het heelal is zo’n 13,8 miljard jaar oud en wij kunnen het vanaf de aarde waarnemen. Dát er een heelal is vol met sterrenstelsels en in ieder geval op één planeet leven is eigenlijk erg verwonderlijk, want theoretisch zou het heelal er eigenlijk niet kunnen zijn. Volgens het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en natuurkrachten zouden er bij de oerknal gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten zijn ontstaan, want voor beiden geldt de CP-symmetrie, dat is symmetrie van lading (‘charge’) en pariteit (‘parity’). En als deeltjes van materie en antimaterie bij elkaar komen annihileren ze elkaar en veranderen ze in energie. Dat zou kort na de oerknal moeten zijn gebeurd en je zou dan alleen een heelal gevuld met straling overhouden. Maar dat is kennelijk niet gebeurd, we hebben een heelal vol met materie en een heel klein beetje antimaterie. Wat er wel is gebeurd is al decennia onderwerp van onderzoek. Recent onderzoek met behulp van de Japanse Subarutelescoop op Hawaï aan helium in ver verwijderde sterrenstelsels werpt mogelijk nieuw zicht op de zaak.
De nucleosynthese van de elementen. In blauw de elementen die door e oerknal-nucleosynthese ontstonden. Credit: Cmglee/Wikipedia
Kern van het probleem is de zogeheten materie-antimaterie asymmetrie, dát er meer materie dan antimaterie in het heelal is en dat dat strijdig is met de theorie. Milliseconden na de oerknal was het heelal gevuld met een superheet plasma van protonen, neutronen, elektronen en neutrino’s. Na ongeveer tien seconden werden waterstof en helium gevormd, in een proces dat oerknal-nucleosynthese wordt genoemd. Ongeveer 75% van de materie werd waterstof, 24% helium en de rest andere lichte elementen, zoals lithium en deuterium.
De Japanse Subaru telescoop op de top van de Mauna Kea op Hawaï. Credit: Panoramio/Wikimedia Commons, CC BY-ND
Men denkt dat neutrino’s én antineutrino’s een belangrijke rol speelden bij deze nucleosynthese, met name bij de vorming van helium. Die vorming van helium gebeurde in twee stappen. Ten eerste transformeerden eerst protonen in neutronen en vice versa, waar ook de neutrino’s en antineutrino’s een rol in speelden. Door de uitdijing koelde het heelal af en stopte dat proces van transformatie en werd de verhouding van het aantal protonen en neutronen bevroren. Theoretisch kan berekend worden hoe de verhouding bepaald wordt door het relatieve aantal neutrino’s en antineutrino’s in het vroege heelal. Hoe meer neutrino’s er waren des te meer protonen en des te minder neutronen er zullen zijn op het moment van bevriezing.
De twee stappen bij de vorming van helium in het vroege heelal. Credit: Anne-Katherine Burns
Helium bestaat uit twee protonen en twee neutronen, waterstof bestaat slechts uit één proton en geen neutron. Hoe minder neutronen er waren in het vroege heelal des te minder helium zal gevormd worden. Omdat de hoeveelheid lichte elementen gevormd in het vroege heelal waargenomen kan worden kan worden berekend hoeveel neutrino’s en antineutrino’s er toen waren. En dat is waar de Subaru telescoop in beeld komt. Die heeft namelijk opnames gemaakt van sterrenstelsels in het vroege heelal, die veel lichte elementen bevatten, dus waterstof en helium. Het onderzoek richtte zich met name op tien sterrenstelsels, die bijna geheel uit de oerelementen waterstof en helium bestonden en bijna geen zwaardere elementen (‘metalen’) bevatten. Resultaat was dat de stelsels mínder helium bevatten dan de theorie had voorspeld. Wat Anne-Katherine Burns (Universiteit van Californië) en haar collega’s toen deden was uitrekenen hoeveel neutrino’s en antineutrino’s te nodig hebt om te komen tot de waargenomen hoeveelheid waterstof en helium in de stelsels – hier het vakartikel er over.
Check out my article published today by The @ConversationUS !
In the article I discuss the possibility that a deficit of helium observed in far off galaxies could point us to the root of the asymmetry between matter and anti-matter in the universe.https://t.co/ncMlPt8BOU
— Anne-Katherine Burns (@Almost_Dr_Burns) July 26, 2023
Conform SM zou er een gelijke hoeveelheid neutrino’s en antineutrino’s moeten zijn, maar de uitkomst van de berekening was dat er in het vroege heelal meer neutrino’s dan antineutrino’s waren. En het is deze neutrino-antineutrino asymmetrie die gezorgd kan hebben voor de materie-antimaterie asymmetrie. Blijft uiteraard de vraag waar dan de neutrino-antineutrino asymmetrie door is veroorzaakt. Zie ook deze Astroblog uit 2016 waarin ook al gesproken wordt over het verband tussen neutrino’s en de asymmetrie tussen materie en anti materie. Wordt vervolgd. Bron: Phys.org.
