Papir kaster lys over spædbarnets univers og stoffets oprindelse

En ny undersøgelse, udført for bedre at forstå universets oprindelse, har givet indsigt i nogle af de mest vedvarende spørgsmål i fundamental fysik:Hvordan kan standardmodellen for partikelfysik udvides til at forklare det kosmologiske overskud af stof i forhold til antistof? Hvad er mørkt stof? Og hvad er den teoretiske oprindelse til en uventet, men observeret symmetri i den kraft, der binder protoner og neutroner sammen?

I papiret "Axiogenesis, " planlagt til at blive offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve den 17. marts, 2020, forskere Keisuke Harigaya, Medlem af Naturvidenskabsskolen ved Instituttet for Avancerede Studier, og Raymond T. Co fra University of Michigan, har præsenteret et overbevisende tilfælde, hvor kvantekromodynamikken (QCD) axion, først teoretiseret i 1977, giver flere vigtige svar på disse spørgsmål.

"Vi afslørede, at rotationen af ​​QCD-aksionen kan forklare det overskydende stof, der findes i universet, " sagde Harigaya. "Vi navngav denne mekanisme axiogenese."

Uendeligt let, QCD-aksionen - mindst en milliard gange lettere end en proton - er næsten spøgelseslignende. Millioner af disse partikler passerer gennem almindeligt stof hvert sekund uden varsel. Imidlertid, QCD-aksionens subatomære niveau-interaktion kan stadig efterlade sporbare signaler i eksperimenter med hidtil uset følsomhed. Mens QCD-aksionen aldrig er blevet detekteret direkte, denne undersøgelse giver ekstra brændstof for eksperimentelister til at jage den undvigende partikel.

"Alsidigheden af ​​QCD-aksionen til at løse mysterierne i fundamental fysik er virkelig fantastisk, " udtalte Co. "Vi er begejstrede over de uudforskede teoretiske muligheder, som dette nye aspekt af QCD-aksionen kan bringe. Vigtigere, eksperimenter kan snart fortælle os, om naturens mysterier virkelig antyder QCD-aksionen."

Harigaya og Co har ræsonneret, at QCD-aksionen er i stand til at fylde tre manglende brikker af fysikpuslespillet samtidigt. Først, QCD-aksionen blev oprindeligt foreslået for at forklare det såkaldte stærke CP-problem - hvorfor den stærke kraft, som binder protoner og neutroner sammen, bevarer uventet en symmetri kaldet Charge Parity (CP) symmetri. CP-symmetrien udledes af den observation, at en neutron ikke reagerer med et elektrisk felt på trods af dets ladede bestanddele. Sekund, QCD-aksionen viste sig at være en god kandidat til mørkt stof, tilbyder, hvad der kunne være et stort gennembrud i forståelsen af ​​sammensætningen af ​​cirka 80 procent af universets masse, som aldrig er blevet direkte observeret. I deres arbejde med det tidlige univers, Harigaya og Co har fastslået, at QCD-aksionen også kan forklare stof-antistof-asymmetriproblemet.

Når stof og antistofpartikler interagerer, de er gensidigt udslettet. I den første brøkdel af et sekund efter Big Bang, stof og antistof eksisterede i lige store mængder. Denne symmetri forhindrede overvægten af ​​den ene type stof over den anden. I dag, universet er fyldt med stof, hvilket indikerer, at denne symmetri må være brudt. Harigaya og Co nævner QCD-aksionen som synderen. Kinetisk energi, som følge af bevægelsen af ​​QCD-aksionen, produceret yderligere baryoner eller almindeligt stof. Denne lille vipning af skalaen til fordel for stof ville have haft en udtalt kaskadeeffekt, baner vejen for universet, som det kendes i dag.

Større forståelse af den nyopdagede dynamik af QCD-aksionen kan potentielt ændre universets ekspansionshistorie og dermed informere studiet af gravitationsbølger. Fremtidigt arbejde med dette emne kunne også give yderligere indsigt i andre vedvarende spørgsmål om grundlæggende fysik, såsom oprindelsen af ​​den lille neutrinomasse.

"Siden teoretiske og eksperimentelle partikelfysikere, astrofysikere, og kosmologer begyndte at studere QCD-aksionen, der er sket store fremskridt. Vi håber, at vores arbejde fremmer disse tværfaglige forskningsindsatser yderligere, " tilføjede Harigaya.