当研究人员计算边长沿顺时针和逆时针方向增加的四面体时，他们发现了惊人的不平衡。
广达杂志的 Myriam Wares
介绍
物理学家相信他们发现了天空中星系排列的惊人不对称性。如果得到证实，这一发现将指出大爆炸期间运行的未知基本定律的特征。
“如果这个结果是真的，有人将获得诺贝尔奖，”约翰霍普金斯大学的物理学家马克卡米恩科夫斯基说，他没有参与分析。
就像玩连点宇宙游戏一样，研究人员在四个星系组之间画线，构建称为四面体的四角形状。当他们从 100 万个星系的目录中构建出所有可能的四面体时，他们发现以一种方式定向的四面体的数量超过了它们的镜像。
纽约哥伦比亚大学的天体物理学家Oliver Philcox在 9 月发表于Physical Review D的一篇论文中首次报道了四面体与其镜像之间不平衡的暗示。在一项同时进行的独立分析中，佛罗里达大学的Jiamin Hou和Zachary Slepian以及劳伦斯伯克利国家实验室的Robert Cahn以物理学家通常认为确定的统计确定性水平检测到了这种不对称性，该分析目前正在进行同行评审。
但有了这样一个轰动一时的发现——而且这个发现仍在审查中——专家们表示谨慎是有必要的。
“没有明显的理由表明他们犯了错误，”奥克兰大学的宇宙学家Shaun Hotchkiss说。 “这并不意味着没有错误。”
假定的不平衡违反了称为“奇偶校验”的对称性，即左右相等。如果观察结果经得起推敲，物理学家认为它一定反映了原始过程中一种未知的、违反宇称的成分，该过程播下了我们宇宙中所有发展结构的种子。
“这是一个令人难以置信的结果——真的令人印象深刻，”Kamionkowski 说。 “我相信吗？我要等到真正庆祝。”
左手宇宙
宇称曾经是物理学中珍视的对称性。但随后，在 1957 年，美籍华裔物理学家吴健雄的核衰变实验表明，我们的宇宙确实具有轻微的旋向性：参与导致核衰变的弱核力的亚原子粒子总是在相反的方向上磁化从他们移动的那个方向，所以他们像左手螺丝的螺纹一样螺旋。镜像粒子——像右旋螺丝一样的粒子——感觉不到弱力。
物理学家 Chien-Shiung Wu 领导了一项核衰变实验，证实宇称在自然界中是不规则的。
吴的爆料令人震惊。物理学家约翰·布拉特 (John Blatt) 在给沃尔夫冈·泡利 (Wolfgang Pauli) 的一封信中写道：“我们深爱的朋友奇偶校验的去世让我们都感到震惊。”
弱力的左手性具有微妙的影响，无法影响银河系的宇宙。但自从吴的发现以来，物理学家一直在寻找宇宙与其镜像不同的其他方式。
例如，如果在宇宙处于婴儿期时发生了某种原始宇称违反，它可能会在宇宙结构上留下扭曲的印记。
在宇宙诞生时或接近诞生时，一种被称为暴胀子的场被认为已经渗透到太空中。暴胀子粒子不断冒泡又消失的沸腾介质，暴胀子场也是排斥的；在它可能存在的短暂时间内，它会导致我们的宇宙迅速膨胀到其原始大小的 100 万亿万亿倍。暴胀子场中粒子的所有量子涨落都被抛向外并冻结在宇宙中，成为物质密度的变化。更密集的口袋继续在引力作用下结合，产生我们今天看到的星系和大尺度结构。
1999 年，包括 Kamionkowski 在内的研究人员考虑了如果在这次爆炸之前存在多个磁场会发生什么情况。暴胀子场可能与另一个可以产生右手和左手粒子的场相互作用。如果暴胀子对右手粒子的处理方式与左手粒子不同，那么它可能会优先产生一种偏手性的粒子，而不是另一种。这种所谓的 Chern-Simons 耦合会使早期的量子涨落具有偏旋性，这会演变成星系的左手和右手四面体排列的不平衡。
至于附加场可能是什么，一种可能性是引力场。在这种情况下，膨胀子粒子和引力子（引力的量子单位）之间会发生违反宇称的陈-西蒙斯相互作用，它们会在膨胀过程中突然出现在引力场中。这种相互作用会在早期宇宙的密度变化中产生旋向性，并因此在今天的大尺度结构中产生旋向性。
这张照片中的每个点都覆盖了大约二十分之一的天空，代表了由斯隆数字天空调查及其重子振荡光谱调查绘制的星系的位置。对调查中的 100 万个星系进行的统计分析发现了宇称违背的证据。
Daniel Eisenstein/SDSS-III 协作
介绍
2006 年，现就职于布朗大学的物理学家斯蒂芬·亚历山大 ( Stephon Alexander )提出，陈-西蒙斯引力还可能解决宇宙学中最大的谜团之一：为什么我们的宇宙包含的物质多于反物质。他推测陈-西蒙斯相互作用可能产生相对丰富的左手引力子，这反过来会优先产生左手物质而不是右手反物质。
多年来，亚历山大的想法一直鲜为人知。当他听说这些新发现时，他说，“这是一个很大的惊喜。”
天空中的四面体
卡恩认为，在早期宇宙中解决宇称违反的物质-反物质不对称难题的可能性是“推测性的，但也具有挑衅性”。 2019 年，他决定在斯隆数字巡天的星系目录中寻找宇称违反。他没想到会找到任何东西，但认为值得检查一下。
为了测试星系分布是否遵守或违反宇称，他和他的合作者知道他们需要研究四个星系的四面体排列。这是因为四面体是最简单的三维形状，只有 3D 物体才有可能违反奇偶校验。要理解这一点，请考虑一下您的手。因为手是 3D 的，所以无法旋转左手使其看起来像右手。将你的左手翻转过来，让两只手的拇指都在左边，你的手看起来还是不一样——手掌朝向相反的方向。相比之下，如果您在一张纸上描绘左手并剪下 2D 图像，则将剪下的图像翻转过来使其看起来像右手。切口及其镜像无法区分。
2020 年，Slepian 和 Cahn 想出了一种方法来定义星系四面体排列的“手性”，以便比较天空中左手和右手星系的数量。首先，他们选择了一个星系并观察了与其他三个星系的距离。如果距离像右手螺旋一样沿顺时针方向增加，则称为右手四面体。如果距离逆时针方向增加，则为左手。
为了确定整个宇宙是否具有偏手性，他们必须对从 100 万个星系的数据库中构建的所有四面体重复分析。有将近 1 万亿万亿这样的四面体——一次处理一个难以处理的列表。但是，在针对不同问题的早期工作中开发的因式分解技巧使研究人员能够更全面地研究四面体的奇偶性：与其一次组装一个四面体并确定其奇偶性，他们可以依次对每个星系进行分组，并将所有其他星系分组根据他们与那个星系的距离，创造出像洋葱层一样的层。通过用称为球谐函数的角度数学函数来表示每一层中星系的相对位置，他们可以系统地组合三层的集合以形成集体四面体。
然后，研究人员将结果与他们基于宇称保持物理定律的预期进行了比较。侯领导了这一步，分析了从微小的、保持奇偶校验的密度变化开始模拟宇宙演化而生成的假星系目录。从这些模拟目录中，侯和她的同事可以确定左手和右手四面体的计数是如何随机变化的，即使在镜像对称的世界中也是如此。
该团队在实际数据中发现了“七西格玛”级别的奇偶校验违规，这意味着左手和右手四面体之间的不平衡是随机机会和其他可能的错误来源所预期的七倍。
Kamionkowski 称其为“令人难以置信的是他们能够做到这一点”，并补充说“从技术上讲，这绝对令人震惊。这是一个非常、非常、非常复杂的分析。”
Philcox 使用了类似的方法（并与 Hou、Slepian 和 Cahn 共同撰写了一些早期的论文，提出了这样的分析），但他做出了一些不同的选择——例如，将星系分组到比 Hou 和同事更少的层，并省略了一些有问题的来自分析的四面体 – 因此发现了更适度的 2.9-sigma 奇偶校验违反。研究人员现在正在研究他们的分析之间的差异。即使经过大量努力了解数据，各方仍保持谨慎。
确凿证据
这一令人惊讶的发现暗示了新物理学可能会回答有关宇宙的长期问题。但这项工作才刚刚开始。
首先，物理学家需要验证（或证伪）观察结果。用于重复分析的新的、雄心勃勃的星系调查已经在进行中。例如，目前正在进行的暗能量光谱仪器调查已经记录了 1400 万个星系，完成后将包含超过 3000 万个星系。 “这将使我们有机会用更好的统计数据更详细地研究这个问题，”卡恩说。
星系的四面体排列被称为罗伯特四重奏。
欧洲南方天文台
介绍
此外，如果违反宇称的信号是真实的，它可能会出现在星系分布以外的数据中。例如，天空中最古老的光——被称为宇宙微波背景辐射的辐射池，是早期宇宙遗留下来的——为我们提供了宇宙空间变化的最早快照。这种光的斑驳图案应该包含与后来形成的星系相同的违反宇称的相关性。物理学家说，应该有可能在光中找到这样的信号。
另一个值得关注的地方是膨胀过程中可能产生的引力波模式，称为随机引力波背景。时空结构中这些像开瓶器一样的涟漪可以是右旋的也可以是左旋的，在一个宇称保持的世界中，它们将包含等量的每一种。因此，如果物理学家设法测量这一背景并发现单手性受到青睐，这将是对早期宇宙中违反宇称的物理学的明确、独立的检查。
随着寻找确凿证据的开始，理论家们将研究可能产生信号的通货膨胀模型。 Philcox 最近与新泽西州普林斯顿高等研究院的理论物理学家Giovanni Cabass一起使用他的测量来测试一系列违反宇称的膨胀模型，包括 Chern-Simons 类型的模型。 （他们还不能肯定地说哪个模型（如果有的话）是正确的。）
亚历山大还重新将精力集中在理解陈-西蒙斯引力上。 Alexander 与包括熨斗研究所计算天体物理中心的 Kamionkowski 和Cyril Creque-Sarbinowski在内的合作者一起，开始研究早期宇宙中陈-西蒙斯引力如何影响当今星系分布的微妙细节。
“我有点像一个孤独的士兵，推动了一段时间的这些东西，”他说。 “很高兴看到人们对此感兴趣。”
编者注：Flatiron Institute 由西蒙斯基金会资助，该基金会也支持这本编辑独立的杂志。此外，Oliver Philcox 还获得了西蒙斯基金会的资助。
原文： https://www.quantamagazine.org/asymmetry-detected-in-the-distribution-of-galaxies-20221205/