Una dintre cele mai mari enigme pentru cercetători și oameni de știință este formarea Universului. Recent, Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN) s-a străduit să descopere o nouă particulă cunoscută sub numele de axion, care poate, pentru prima dată, să ofere informații despre evenimentele care au avut loc în Univers la doar o secundă după Big Bang.
În acest articol vă vom spune tot ce trebuie să știți despre axion, particula care ar putea explica Big Bang-ul.
Axioni și materia întunecată
Sugerată inițial în anii 1970 de către fizicianul Roberto Peccei împreună cu colegul său Helen Quinn, axionul este o particulă elementară care ia naștere dintr-un cadru teoretic menit să abordeze o întrebare din cromodinamica cuantică (QCD), teoria care descrie interacțiunile dintre quarci și gluoni. . Această întrebare aparține „problema conservării parității”, care indică faptul că caracteristicile specifice trebuie să rămână nealterate de interacțiunile nucleare. Introducerea axionului servește ca mecanism de restabilire a acestei simetrii.
Printre cele mai notabile caracteristici ale axionului se numără funcția sa potențială ca componentă a materia întunecată, care reprezintă aproximativ 27% din masa totală a universului. Materia întunecată nu emite lumină sau radioactivitate, făcând-o invizibilă și observabilă numai prin influența gravitațională. Dacă se dovedește că există axionii, ele ar putea fi abundente în univers, oferind o justificare pentru natura evazivă a materiei întunecate ca particule extrem de ușoare și greu de detectat.
Big Bang-ul și particulele axionice
Explozia primordială cunoscută sub numele de Big Bang, care a început formarea universului, este un eveniment examinat de numeroase modele și teorii cosmologice. Se crede că imediat după Big Bang, au apărut o varietate de particule și radiații. Dacă axiunile există, ele pot fi generate în număr substanțial în această fază timpurie, jucând un rol în evoluția universului.
Cercetarea axionică este importantă nu numai pentru materia întunecată, ci și pentru a ne îmbunătăți înțelegerea universului în fazele sale formative. Deoarece Big Bang-ul a produs o mare varietate de particule, posibila existență a axionilor poate oferi informații despre organizarea istorică a materiei și energiei.
Ce informații avem despre istoria Universului?
Astăzi, analiza spectrului electromagnetic al fundalului cosmic cu microunde (CMB) a permis oamenilor de știință să urmărească cu aproape 14 miliarde de ani până când Universul s-a răcit suficient pentru ca protonii și electronii să se lege pentru prima dată a dus la formarea hidrogenului neutru.
Fotonii detectați în observațiile Cosmic Microwave Background (CMB) au fost emiși la 400.000 de ani după Big Bang, ceea ce face extrem de dificilă determinarea istoriei Universului înainte de această perioadă.
Cu toate acestea, un trio de cercetători britanici au propus o teorie care indică posibila existență a unei particule cunoscute sub numele de axion, care Ar fi putut fi emis în timpul secundei inițiale a istoriei Universului. Deși această particulă rămâne ipotetică, există numeroase motive pentru a crede că axionul ar putea exista de fapt în Univers.
Ce este mai exact un axion?
Axionii sunt particule fundamentale teoretice care, deși încă ipotetice, pot rezolva anumite întrebări complexe din cadrul teoriilor contemporane ale particulelor.
Prezența axionului ar ajuta la abordarea problemei simetriei CP puternice, care se referă la echilibrul dintre materie și antimaterie. De fapt, poate oferi o explicație naturală pentru asemănările izbitoare dintre proprietățile materiei și antimateriei, în timp ce furnizează informații asupra predominării materiei asupra antimateriei în univers.
Axions pot oferi informații despre misterioasa „materie întunecată”, care reprezintă 23% din Univers. Cercetările indică faptul că aceste particule reprezintă unul dintre cei mai promițători candidați pentru a contribui la materia invizibilă, sau materia întunecată, care a apărut la scurt timp după Big Bang.
Axionul și rolul său în contextul materiei întunecate
Având în vedere posibilitatea ca materia întunecată să fie formată din axioni generați în cantități mari după Big Bang, cercetătorii lucrează cu sârguință pentru a identifica materia întunecată axionă cât mai curând posibil.
O lucrare publicată în Physical Review D sugerează că progresul unor instrumente mai sensibile care vizează detectarea materiei întunecate poate duce, din neatenție, la descoperirea unui alt indicator al axionilor, cunoscut sub numele de CaB. Acest termen denotă un axion care este analog cu fundalul cosmic cu microunde (CMB) și se numește fundalul axion cosmic. Cu toate acestea, din cauza asemănărilor în proprietățile dintre CaB și axionii materiei întunecate, există riscul ca semnalul CaB să fie respins ca zgomot în setările experimentale.
Pentru oamenii de știință, identificarea CaB ar reprezenta o dublă descoperire. Nu numai că ar valida existența axionului, dar ar oferi și o nouă relicvă a Universului timpuriu comunității științifice. Metoda prin care a fost generat CaB ar putea dezvălui fațete până acum necunoscute despre formarea și evoluția Universului.
Metode de detectare a unui axion
Experimentele efectuate de CERN au avut ca scop detectarea axionului. Un experiment conceput pentru a identifica particulele axionului implică utilizarea unor cavități rezonante de microunde, care sunt calibrate pentru masa axionului, plasate în câmpuri magnetice puternice. Această metodologie este utilizată în prezent în experimentul ADMX de la Universitatea din Washington și are potențialul de a detecta axionul, în cazul în care materia întunecată este formată în întregime din axioni.
O metodă suplimentară de detectare a axionilor implică utilizarea helioscoapelor, special concepute pentru a identifica axionii generați în Soare. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui magnet puternic asociat cu detectoare de raze X care au un fundal excepțional de scăzut. Deși nu au fost găsite dovezi de axioni până în prezent, experimentul CAST, care include contribuții ale cercetătorilor de la Universitatea din Zaragoza, a depășit limitările astrofizice și a deschis o regiune neexploratată anterior pentru explorare.
