Yksi tutkijoiden ja tiedemiesten suurimmista arvoituksista on maailmankaikkeuden muodostuminen. Euroopan ydintutkimusjärjestö CERN on viime aikoina pyrkinyt löytämään uuden hiukkasen, joka tunnetaan nimellä aksioni, joka voi ensimmäistä kertaa antaa tietoa maailmankaikkeudessa tapahtuneista tapahtumista vain sekunti alkuräjähdyksen jälkeen.
Tässä artikkelissa kerromme sinulle kaiken, mitä sinun on tiedettävä aksioni, hiukkanen, joka voisi selittää alkuräjähdyksen.
Aksionit ja pimeä aine
Fyysikko Roberto Peccei ehdotti alun perin 1970-luvulla yhdessä kollegansa Helen Quinnin kanssa, aksioni on alkuainehiukkanen, joka syntyy teoreettisesta viitekehyksestä, jonka tarkoituksena on käsitellä kysymystä kvanttikromodynamiikassa (QCD), teoriassa, joka kuvaa kvarkkien ja gluonien välisiä vuorovaikutuksia. . Tämä kysymys kuuluu "pariteetin säilymisongelmaan", joka osoittaa, että ydinvuorovaikutusten on säilyttävä erityisten ominaisuuksien muuttumattomina. Aksionin käyttöönotto toimii mekanismina tämän symmetrian palauttamiseksi.
Yksi aksionin merkittävimmistä ominaisuuksista on sen mahdollinen toiminto osana pimeää ainetta, joka edustaa noin 27 % maailmankaikkeuden kokonaismassasta. Pimeä aine ei säteile valoa tai radioaktiivisuutta, joten se on näkymätön ja havaittavissa vain sen gravitaatiovaikutuksen kautta. Jos aksioneja todistetaan olevan olemassa, niitä voi olla runsaasti kaikkialla maailmankaikkeudessa, mikä oikeuttaa pimeän aineen vaikeasti havaittavuuden äärimmäisen kevyinä ja vaikeasti havaittavina hiukkasina.
Alkuräjähdys ja aksioniset hiukkaset
Alkuräjähdyksenä tunnettu alkuräjähdys, joka aloitti maailmankaikkeuden muodostumisen, on tapahtuma, jota tutkitaan lukuisilla kosmologisilla malleilla ja teorioilla. Uskotaan, että heti alkuräjähdyksen jälkeen ilmaantui erilaisia hiukkasia ja säteilyä. Jos aksioneja on olemassa, niitä on saatettu syntyä huomattavia määriä tämän varhaisen vaiheen aikana, ja niillä on osansa maailmankaikkeuden kehityksessä.
Axion-tutkimus on tärkeää ei vain pimeää ainetta varten, vaan myös parantaaksemme ymmärrystämme maailmankaikkeudesta sen muodostumisvaiheissa. Koska alkuräjähdys tuotti monenlaisia hiukkasia, aksionien mahdollinen olemassaolo voi tarjota tietoa aineen ja energian historiallisesta järjestyksestä.
Mitä tietoa meillä on maailmankaikkeuden historiasta?
Nykyään kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) sähkömagneettisen spektrin analyysi on antanut tutkijoille mahdollisuuden jäljittää lähes 14 miljardia vuotta siihen aikaan, jolloin universumi oli jäähtynyt riittävästi protonien ja elektronien sitoutumiseen ensimmäistä kertaa johti neutraalin vedyn muodostumiseen.
CMB (Cosmic Microwave Background) havainnoissa havaitut fotonit säteilivät 400.000 XNUMX vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, mikä teki äärimmäisen vaikeaksi määrittää universumin historiaa ennen tätä aikaa.
Brittiläinen tutkijakolmio on kuitenkin ehdottanut teoriaa, joka osoittaa aksioniksi tunnetun hiukkasen mahdollisen olemassaolon. Se olisi voinut säteillä maailmankaikkeuden historian ensimmäisen sekunnin aikana. Vaikka tämä hiukkanen pysyy hypoteettisena, on lukuisia syitä uskoa, että aksioni voisi todella olla olemassa universumissa.
Mikä tarkalleen on aksioni?
Aksionit ovat teoreettisia perushiukkasia, jotka, vaikka ne ovat edelleen hypoteettisia, voivat ratkaista tiettyjä monimutkaisia kysymyksiä nykyaikaisten hiukkasteorioiden sisällä.
Aksionin läsnäolo auttaisi ratkaisemaan ongelman vahvasta CP-symmetriasta, joka liittyy aineen ja antiaineen väliseen tasapainoon. Itse asiassa se voi tarjota luonnollisen selityksen aineen ja antiaineen ominaisuuksien silmiinpistävään yhtäläisyyteen, samalla kun se tarjoaa tietoa aineen hallitsemisesta antimateriaaliin nähden universumissa.
Axions voi tarjota tietoa salaperäisestä "pimeästä aineesta", joka muodostaa 23% maailmankaikkeudesta. Tutkimukset osoittavat, että nämä hiukkaset edustavat yhtä lupaavimpia ehdokkaita edistämään näkymätöntä ainetta tai pimeää ainetta, joka syntyi pian alkuräjähdyksen jälkeen.
Aksioni ja sen rooli pimeän aineen kontekstissa
Ottaen huomioon mahdollisuuden, että pimeä aine voi koostua aksioneista, joita syntyy suuria määriä alkuräjähdyksen jälkeen, tutkijat työskentelevät ahkerasti tunnistaakseen aksionisen pimeän aineen mahdollisimman pian.
Physical Review D:ssä julkaistussa artikkelissa ehdotetaan, että pimeän aineen havaitsemiseen tähtäävien herkempien instrumenttien kehittäminen voi vahingossa johtaa toisen aksionien indikaattorin löytämiseen. tunnetaan nimellä CaB. Tämä termi tarkoittaa aksionia, joka on analoginen kosmisen mikroaallon taustan (CMB) kanssa ja jota kutsutaan kosmiseksi akselin taustaksi. CaB:n ja pimeän aineen aksionien ominaisuuksien samankaltaisuuksien vuoksi on kuitenkin olemassa riski, että CaB-signaali voidaan hylätä kohinaksi kokeellisissa olosuhteissa.
Tutkijoille CaB:n tunnistaminen edustaisi kaksoislöytöä. Se ei ainoastaan vahvistaisi aksionin olemassaoloa, vaan se tarjoaisi myös uuden varhaisen universumin jäännöksen tiedeyhteisölle. Menetelmä, jolla CaB tuotettiin, voisi paljastaa tähän asti tuntemattomia puolia maailmankaikkeuden muodostumisesta ja kehityksestä.
Menetelmät aksionin havaitsemiseen
CERNin suorittamien kokeiden tarkoituksena oli havaita aksioni. Kokeessa, joka on suunniteltu tunnistamaan aksionihiukkanen, käytetään voimakkaiden magneettikenttien sisään sijoitettuja resonoivia mikroaaltoonteloita, jotka on kalibroitu aksionin massan mukaan. Tätä menetelmää käytetään tällä hetkellä ADMX-kokeessa Washingtonin yliopistossa ja on potentiaalia havaita aksioni, jos pimeä aine koostuu kokonaan aksioneista.
Eräs lisämenetelmä aksioiden havaitsemiseen on helioskooppien käyttö, jotka on erityisesti suunniteltu tunnistamaan Auringossa syntyneet aksiot. Tämä saavutetaan käyttämällä tehokasta magneettia, joka on yhdistetty poikkeuksellisen matalan taustan omaaviin röntgenilmaisimiin. Vaikka todisteita aksioneista ei ole toistaiseksi löydetty, CAST-koe, joka sisältää Zaragozan yliopiston tutkijoiden panoksia, on voittanut astrofysikaaliset rajoitukset ja avannut aiemmin tutkimattoman alueen tutkimusta varten.