Однією з найбільших загадок для дослідників і вчених є формування Всесвіту. Нещодавно Європейська організація ядерних досліджень (CERN) намагалася відкрити нову частинку, відому як аксіон, яка вперше може надати інформацію про події, що відбулися у Всесвіті лише через секунду після Великого вибуху.
У цій статті ми розповімо вам усе, що вам потрібно знати про аксіон, частинка, яка могла б пояснити Великий вибух.
Аксіони і темна матерія
Вперше запропонований у 1970-х роках фізиком Роберто Печчеї разом із його колегою Гелен Куїн, аксіон — це елементарна частинка, яка виникає з теоретичної основи, спрямованої на вирішення питання квантової хромодинаміки (КХД), теорії, яка описує взаємодію між кварками та глюонами . Це питання належить до «проблеми збереження парності», яка вказує на те, що конкретні характеристики повинні залишатися незмінними ядерними взаємодіями. Введення аксіону служить механізмом для відновлення цієї симетрії.
Серед найбільш помітних характеристик аксіона є його потенційна функція як компонента темна матерія, яка становить приблизно 27% загальної маси Всесвіту. Темна матерія не випромінює світла чи радіоактивності, що робить її невидимою та доступною лише завдяки гравітаційному впливу. Якщо буде доведено існування аксіонів, їх може бути багато у всьому Всесвіті, пропонуючи виправдання невловимої природи темної матерії як надзвичайно легких частинок, які важко виявити.
Великий вибух і аксіонні частинки
Первісний вибух, відомий як Великий вибух, який поклав початок утворенню Всесвіту, є подією, яка розглядається численними космологічними моделями та теоріями. Вважається, що відразу після Великого вибуху з'явилися різноманітні частинки та випромінювання. Якщо аксіони існують, вони могли бути згенеровані у значній кількості під час цієї ранньої фази, відіграючи певну роль в еволюції Всесвіту.
Дослідження аксіону є важливим не лише для темної матерії, але й для покращення нашого розуміння Всесвіту на етапах його формування. Оскільки Великий вибух породив широкий спектр частинок, можливе існування аксіонів може надати інформацію про історичну організацію матерії та енергії.
Яку інформацію ми маємо про історію Всесвіту?
Сьогодні аналіз електромагнітного спектру космічного мікрохвильового фону (CMB) дозволив вченим простежити майже 14 мільярдів років до того часу, коли Всесвіт охолов достатньо для того, щоб протони й електрони вперше з’єдналися призвело до утворення нейтрального водню.
Фотони, виявлені під час спостережень космічного мікрохвильового фону (CMB), випромінювалися через 400.000 XNUMX років після Великого вибуху, що ускладнює визначення історії Всесвіту до цього часу.
Однак тріо британських дослідників запропонували теорію, яка вказує на можливе існування частинки, відомої як аксіон, яка Він міг бути випущений протягом першої секунди історії Всесвіту. Хоча ця частинка залишається гіпотетичною, є багато причин вважати, що аксіон дійсно може існувати у Всесвіті.
Що таке аксіон?
Аксіони — це теоретичні фундаментальні частинки, які, хоча й залишаються гіпотетичними, можуть вирішити певні складні питання в рамках сучасних теорій елементарних частинок.
Наявність аксіону допоможе вирішити проблему сильної CP-симетрії, яка стосується балансу між матерією та антиматерією. Насправді це може дати природне пояснення разючої подібності у властивостях матерії та антиматерії, одночасно пропонуючи інформацію про переважання матерії над антиматерією у Всесвіті.
Аксіони можуть надати інформацію про таємничу «темну матерію», яка становить 23% Всесвіту. Дослідження показують, що ці частинки представляють собою одного з найбільш перспективних кандидатів для створення невидимої матерії, або темної матерії, яка виникла незабаром після Великого вибуху.
Аксіон і його роль в контексті темної матерії
Враховуючи ймовірність того, що темна матерія може складатися з аксіонів, утворених у великих кількостях після Великого вибуху, дослідники старанно працюють, щоб якомога швидше ідентифікувати аксіонну темну матерію.
Стаття, опублікована в Physical Review D, припускає, що розвиток більш чутливих інструментів, спрямованих на виявлення темної матерії, може ненавмисно призвести до відкриття ще одного індикатора аксіонів, відомий як CaB. Цей термін позначає аксіон, аналогічний космічному мікрохвильовому фону (CMB) і називається космічним аксіонним фоном. Однак через подібність властивостей CaB і аксіонів темної матерії існує ризик того, що сигнал CaB може бути відкинутий як шум в експериментальних умовах.
Для вчених ідентифікація CaB означала б подвійне відкриття. Це не тільки підтвердило б існування аксіону, але й запропонувало б науковій спільноті нову реліквію раннього Всесвіту. Метод, за допомогою якого був створений CaB, може відкрити досі невідомі аспекти формування та еволюції Всесвіту.
Методи виявлення аксіона
Експерименти, проведені CERN, були спрямовані на виявлення аксіона. Експеримент, призначений для ідентифікації частинки аксіона, передбачає використання резонансних мікрохвильових резонаторів, які відкалібровані на масу аксіона, поміщеного в сильні магнітні поля. Ця методологія зараз використовується в експерименті ADMX в Університеті Вашингтона має потенціал для виявлення аксіону, якщо темна матерія повністю складається з аксіонів.
Додатковий метод виявлення аксіонів передбачає використання геліоскопів, спеціально розроблених для виявлення аксіонів, що утворюються в Сонці. Це досягається за допомогою потужного магніту в парі з рентгенівськими детекторами, які мають винятково низький фон. Хоча жодних доказів існування аксіонів на сьогоднішній день не знайдено, експеримент CAST, який включає внесок дослідників з Університету Сарагоси, подолав астрофізичні обмеження та відкрив для дослідження раніше недосліджену область.