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在宇宙空隙中,星系的密度遠低於標準,天文學家觀察到微弱的磁場,這可能為觀察早期宇宙提供了一個視窗。10^-17到10^-10G量級的場和高達百萬秒差距的大相干長度被認為是早期宇宙的起源,但到目前為止,尚不清楚它們是何時以及如何產生的。一種假設是,“左手”和“右手”費米子數量的不平衡可能是其核心原因,因為這可能會導致螺旋磁場的產生。但是到目前為止,還沒有詳細的分析來說明左旋和右旋費米子數目的演變如何與這個假說相矛盾。現在,歐洲研究人員的一項合作報告對這種手性不平衡進行了更嚴格的分析,得出了令人驚訝的結果。

費米子的手性是量子粒子的一種基本性質(與描述它們之間的弱相互作用有關)。“對於無質量費米子來說,它與粒子的螺旋性一致,即粒子自旋在其運動方向上的投影,”瑞士洛桑聯邦理工學院和基輔大學的博士後研究員Oleksandr Sobol解釋道,他也是這篇最新報告的通訊作者。然而,對於真正的巨大費米子來說,並沒有簡單的類比。

到目前為止,宇宙學家們依靠的是基於這些過程中涉及的最簡單的反應對衰變率的估計。根據這些原理,衰變速率與被稱為精細結構常數的基本常數的平方成正比,精細結構常數量化了基本粒子之間電磁相互作用的強度。然而,這一估計沒有考慮到等離子體中的粒子與真空中的粒子的不同之處。結果表明,這對計算某一散射過程的機率有重大影響,這種散射過程可以翻轉粒子的手性。

環境影響

在任何散射過程中,動量都會從一個碰撞粒子轉移到另一個粒子。傳遞的動量越低,發生散射的機率就越高。在手性不平衡衰變率的分析中,Sobol和他的合作者主要集中在電子和光子碰撞的康普頓散射上,這可以翻轉電子的手性。當電子和光子交換動量而動量值沒有太大變化時,散射的機率真的會飆升,增長如此之快,以至於對所有可能的動量轉移值進行積分趨於無窮大,這就是所謂的紅外奇點,其中紅外指的是所涉及的低動量轉移。

顯然,這不是物理上的,因為所有的量都應該是有限的。他指出,考慮等離子體和真空中的粒子之間的差異可以解決這個問題。環境改變了粒子的能量分散,使它們的壽命有限。透過考慮這些環境影響,研究人員能夠使所有的數量是有限的。他們還驚奇地發現,手性衰減速率關係中的精細結構常數中的一個會消掉,這樣速率就與精細結構常數成線性比例。

描述衰減率的關係的變化使它的值比以前的估計值高兩個數量級。雖然如此巨大的差異聽起來像是應該在這之前就發現的東西。直到最近,使用這些值的數值計算才真正可行。手性不平衡等離子體的定量分析需要複雜和昂貴的數值模擬,這在許多年前是無法做到的。他還強調,我們也不清楚如何計算這個速率,因為它需要一些“非平凡”的數學,在精細結構常數和電子質量方面的雙微擾膨脹。

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