Jedna od najvećih enigmi za istraživače i naučnike je formiranje Univerzuma. Evropska organizacija za nuklearna istraživanja (CERN) odnedavno nastoji otkriti novu česticu poznatu kao aksion, koja po prvi put može pružiti informacije o događajima koji su se dogodili u svemiru samo jednu sekundu nakon Velikog praska.
U ovom članku ćemo vam reći sve što trebate znati o aksion, čestica koja bi mogla objasniti Veliki prasak.
Aksioni i tamna materija
Prvobitno koju je 1970-ih predložio fizičar Roberto Peccei zajedno sa svojom kolegicom Helen Quinn, aksion je elementarna čestica koja proizlazi iz teorijskog okvira namijenjenog rješavanju pitanja unutar kvantne hromodinamike (QCD), teorije koja opisuje interakcije između kvarkova i gluona. . Ovo pitanje pripada „problemu očuvanja pariteta“, što ukazuje da specifične karakteristike moraju ostati nepromijenjene nuklearnim interakcijama. Uvođenje aksiona služi kao mehanizam za ponovno uspostavljanje ove simetrije.
Među najznačajnijim karakteristikama aksiona je njegova potencijalna funkcija kao komponente tamne materije, koja predstavlja približno 27% ukupne mase svemira. Tamna materija ne emituje svetlost ili radioaktivnost, što je čini nevidljivom i vidljivom samo kroz njen gravitacioni uticaj. Ako se dokaže da aksioni postoje, mogli bi biti u izobilju širom svemira, nudeći opravdanje za neuhvatljivu prirodu tamne materije kao izuzetno lagane čestice koje je teško detektirati.
Veliki prasak i aksionske čestice
Primordijalna eksplozija poznata kao Veliki prasak, koja je započela formiranje svemira, događaj je ispitan brojnim kosmološkim modelima i teorijama. Vjeruje se da su se odmah nakon Velikog praska pojavile razne čestice i radijacija. Ako aksioni postoje, možda su nastali u značajnom broju tokom ove rane faze, igrajući ulogu u evoluciji svemira.
Istraživanje aksiona je važno ne samo za tamnu materiju, već i za poboljšanje našeg razumijevanja univerzuma tokom njegovih formativnih faza. Budući da je Veliki prasak proizveo širok spektar čestica, moguće postojanje aksiona može pružiti informacije o istorijskoj organizaciji materije i energije.
Koje informacije imamo o istoriji Univerzuma?
Danas je analiza elektromagnetnog spektra kosmičke mikrotalasne pozadine (CMB) omogućila naučnicima da prate skoro 14 milijardi godina unazad do vremena kada se svemir dovoljno ohladio da se protoni i elektroni po prvi put povežu rezultiralo je stvaranjem neutralnog vodonika.
Fotoni otkriveni u posmatranjima kosmičke mikrotalasne pozadine (CMB) emitovani su 400.000 godina nakon Velikog praska, što je izuzetno otežalo određivanje istorije Univerzuma pre tog vremena.
Međutim, trio britanskih istraživača predložilo je teoriju koja ukazuje na moguće postojanje čestice poznate kao aksion, koja Mogla je biti emitovana tokom prve sekunde istorije Univerzuma. Iako ova čestica ostaje hipotetička, postoje brojni razlozi za vjerovanje da bi aksion zaista mogao postojati unutar Univerzuma.
Šta je zapravo aksion?
Aksioni su teorijske fundamentalne čestice koje, iako su još uvijek hipotetičke, mogu riješiti određena složena pitanja unutar savremenih teorija čestica.
Prisustvo aksiona bi pomoglo u rješavanju pitanja jake CP simetrije, koja se odnosi na ravnotežu između materije i antimaterije. Zapravo, može pružiti prirodno objašnjenje za upadljive sličnosti u svojstvima materije i antimaterije, dok nudi informacije o prevlasti materije nad antimaterijom u svemiru.
Aksioni mogu pružiti informacije o misterioznoj "tamnoj materiji", koja čini 23% Univerzuma. Istraživanja pokazuju da ove čestice predstavljaju jedan od najperspektivnijih kandidata za doprinos nevidljivoj materiji, odnosno tamnoj materiji, koja se pojavila ubrzo nakon Velikog praska.
Aksion i njegova uloga u kontekstu tamne materije
Uzimajući u obzir mogućnost da se tamna materija može sastojati od aksiona nastalih u velikim količinama nakon Velikog praska, istraživači marljivo rade na identifikaciji aksionske tamne materije što je prije moguće.
Rad objavljen u Physical Review D sugerira da napredak osjetljivijih instrumenata usmjerenih na otkrivanje tamne materije može nenamjerno dovesti do otkrića drugog indikatora aksiona, poznat kao CaB. Ovaj termin označava aksion koji je analogan kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini (CMB) i naziva se kosmička pozadina aksiona. Međutim, zbog sličnosti u svojstvima između CaB i aksiona tamne materije, postoji rizik da bi se CaB signal mogao odbaciti kao šum u eksperimentalnim postavkama.
Za naučnike, identifikacija CaB bi predstavljala dvostruko otkriće. Ne samo da bi potvrdio postojanje aksiona, već bi naučnoj zajednici ponudio i novi relikt ranog Univerzuma. Metoda kojom je stvoren CaB mogla bi otkriti do sada nepoznate aspekte formiranja i evolucije Univerzuma.
Metode za detekciju aksiona
Eksperimenti koje je sproveo CERN imali su za cilj otkrivanje aksiona. Eksperiment dizajniran za identifikaciju aksionske čestice uključuje korištenje rezonantnih mikrovalnih šupljina, koje su kalibrirane za masu aksiona, smještene unutar jakih magnetnih polja. Ova metodologija se trenutno koristi u ADMX eksperimentu na Univerzitetu Washington i ima potencijal da otkrije aksion, u slučaju da je tamna materija u potpunosti sastavljena od aksiona.
Dodatna metoda detekcije aksija uključuje upotrebu helioskopa, posebno dizajniranih za identifikaciju aksija nastalih unutar Sunca. Iako do danas nisu pronađeni dokazi o aksionima, eksperiment CAST, koji uključuje doprinose istraživača sa Univerziteta u Zaragozi, prevazišao je astrofizička ograničenja i otvorio prethodno neistraženu regiju za istraživanje.