Axioner kan være fossilet af det univers, forskerne har ventet på

At finde den hypotetiske partikelaksion kunne betyde at finde ud af for første gang, hvad der skete i universet et sekund efter Big Bang, foreslår en ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang D den 7. juni.

Hvor langt tilbage i universets fortid kan vi se i dag? I det elektromagnetiske spektrum, observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund – almindeligvis omtalt som CMB – giver os mulighed for at se næsten 14 milliarder år tilbage, til hvor universet afkølede tilstrækkeligt til, at protoner og elektroner kunne kombineres og danne neutralt brint. CMB har lært os uhyre meget om udviklingen af ​​kosmos, men fotoner i CMB blev frigivet 400, 000 år efter Big Bang, hvilket gør det ekstremt udfordrende at lære om universets historie før denne epoke.

For at åbne et nyt vindue, en trio af teoretiske forskere, herunder Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Principal Investigator, University of California, Berkeley, MacAdams professor i fysik og seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, Hitoshi Murayama, Lawrence Berkeley National Laboratory fysikforsker og University of California, Berkeley, postdoc-stipendiat Jeff Dror (nu ved University of California, Santa Cruz), og UC Berkeley Miller forskningsstipendiat Nicholas Rodd, så ud over fotoner, og ind i riget af hypotetiske partikler kendt som axioner, som kan være blevet udsendt i det første sekund af universets historie.

I deres papir, de foreslår muligheden for at søge efter en axion-analog af CMB, en såkaldt Cosmic axion Background eller CaB.

Selvom det er hypotetisk, der er mange grunde til at mistænke, at aksionen kunne eksistere i vores univers.

For en, axioner er en generisk forudsigelse af strengteori, et af nutidens bedste håb for en teori om kvantetyngdekraften. Eksistensen af ​​en axion kan yderligere hjælpe med at løse det langvarige puslespil om, hvorfor vi endnu ikke har målt et elektrisk dipolmoment for neutronen, et problem mere formelt kendt som "Strong CP Problem." For nylig, axionen er blevet en lovende kandidat for mørkt stof, og som følge heraf søger forskere hurtigt efter axion mørkt stof.

I deres papir, forskerne påpeger, at efterhånden som eksperimentel udvikler mere følsomme instrumenter til at søge efter mørkt stof, de kan støde på et andet tegn på aksioner i form af CaB. Men fordi CaB deler lignende egenskaber med mørkt stof aksioner, der er en risiko for, at eksperimenterne ville kaste CaB-signalet ud som støj.

At finde CaB'en ved et af disse instrumenter ville være en dobbelt opdagelse. Ikke alene ville det bekræfte eksistensen af ​​aksionen, men forskere verden over ville straks have et nyt fossil fra det tidlige univers. Afhængigt af hvordan CaB blev produceret, forskere kunne lære om forskellige aspekter af universets udvikling, som aldrig var muligt før (figur).

"Det, vi har foreslået, er, at ved at ændre den måde, nuværende eksperimenter analyserer data på, vi kan muligvis søge efter tilbageværende aksioner fra det tidlige univers. Derefter, vi kan måske lære om oprindelsen af ​​mørkt stof, faseovergang eller inflation i begyndelsen af ​​universet. Der er allerede eksperimentelle grupper, der har vist interesse for vores forslag, og jeg håber, vi kan finde ud af noget nyt om det tidlige univers, som ikke var kendt før, " siger Murayama.

"Universets udvikling kan producere aksioner med en karakteristisk energifordeling. Ved at detektere energitætheden af ​​universet, der i øjeblikket består af aksioner, eksperimenter som MADMAX, HAYSTAC, ADMX, og DMRadio kunne give os svar på nogle af de vigtigste gåder i kosmologi, såsom, "Hvor varmt blev vores univers? Hvad er mørkt stofs natur? Gennemgik vores univers en periode med hurtig ekspansion kendt som inflation? Var der nogensinde en kosmisk faseovergang?" siger Dror.

Det nye studie giver grund til at være begejstret for axion dark-matter programmet. Selvom mørkt stof ikke er lavet af aksioner, disse instrumenter kan give et billede af universet, da det var mindre end et sekund gammelt.

Denne undersøgelse blev accepteret som et "redaktørforslag" i tidsskriftet Fysisk gennemgang D .