Ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα για ερευνητές και επιστήμονες είναι ο σχηματισμός του Σύμπαντος. Πρόσφατα, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικής Έρευνας (CERN) προσπαθεί να ανακαλύψει ένα νέο σωματίδιο γνωστό ως άξιον, το οποίο μπορεί, για πρώτη φορά, να παρέχει πληροφορίες για γεγονότα που συνέβησαν στο Σύμπαν μόλις ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για το axion, το σωματίδιο που θα μπορούσε να εξηγήσει τη Μεγάλη Έκρηξη.
Άξιον και σκοτεινή ύλη
Αρχικά προτάθηκε τη δεκαετία του 1970 από τον φυσικό Roberto Peccei μαζί με τη συνάδελφό του Helen Quinn, το axion είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που προκύπτει από ένα θεωρητικό πλαίσιο που προορίζεται να απαντήσει σε ένα ερώτημα εντός της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD), της θεωρίας που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ κουάρκ και γκλουονίων. . Αυτή η ερώτηση ανήκει στο «πρόβλημα διατήρησης της ισοτιμίας», το οποίο υποδεικνύει ότι τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά πρέπει να παραμένουν αναλλοίωτα από τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Η εισαγωγή του axion χρησιμεύει ως μηχανισμός για την αποκατάσταση αυτής της συμμετρίας.
Μεταξύ των πιο αξιοσημείωτων χαρακτηριστικών του άξονα είναι η πιθανή λειτουργία του ως συστατικού του η σκοτεινή ύλη, η οποία αντιπροσωπεύει περίπου το 27% της συνολικής μάζας του σύμπαντος. Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει φως ή ραδιενέργεια, καθιστώντας την αόρατη και παρατηρήσιμη μόνο μέσω της βαρυτικής της επιρροής. Εάν αποδειχθεί ότι υπάρχουν αξιόνια, θα μπορούσαν να είναι άφθονα σε όλο το σύμπαν, προσφέροντας μια αιτιολόγηση για τη φευγαλέα φύση της σκοτεινής ύλης ως εξαιρετικά ελαφριά και δύσκολα ανιχνεύσιμα σωματίδια.
Η Μεγάλη Έκρηξη και τα αξιονικά σωματίδια
Η αρχέγονη έκρηξη γνωστή ως Big Bang, η οποία ξεκίνησε το σχηματισμό του σύμπαντος, είναι ένα γεγονός που εξετάζεται από πολυάριθμα κοσμολογικά μοντέλα και θεωρίες. Πιστεύεται ότι αμέσως μετά το Big Bang εμφανίστηκε μια ποικιλία σωματιδίων και ακτινοβολίας. Εάν υπάρχουν αξιόνια, μπορεί να έχουν δημιουργηθεί σε σημαντικό αριθμό κατά τη διάρκεια αυτής της πρώιμης φάσης, παίζοντας ρόλο στην εξέλιξη του σύμπαντος.
Η έρευνα Axion είναι σημαντική όχι μόνο για τη σκοτεινή ύλη, αλλά και για να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για το σύμπαν κατά τα στάδια διαμόρφωσης του. Δεδομένου ότι η Μεγάλη Έκρηξη παρήγαγε μια μεγάλη ποικιλία σωματιδίων, η πιθανή ύπαρξη αξιονών μπορεί να παρέχει πληροφορίες σχετικά με την ιστορική οργάνωση της ύλης και της ενέργειας.
Τι πληροφορίες έχουμε για την ιστορία του Σύμπαντος;
Σήμερα, η ανάλυση του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων (CMB) επέτρεψε στους επιστήμονες να εντοπίσουν σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω από τη στιγμή που το Σύμπαν είχε ψυχθεί αρκετά ώστε να συνδεθούν τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια για πρώτη φορά είχε ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ουδέτερου υδρογόνου.
Τα φωτόνια που ανιχνεύθηκαν στις παρατηρήσεις του Cosmic Microwave Background (CMB) εκπέμπονταν 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολο τον προσδιορισμό της ιστορίας του Σύμπαντος πριν από αυτήν την εποχή.
Ωστόσο, μια τριάδα Βρετανών ερευνητών έχει προτείνει μια θεωρία που υποδεικνύει την πιθανή ύπαρξη ενός σωματιδίου που είναι γνωστό ως axion, το οποίο Θα μπορούσε να εκπέμπεται κατά το πρώτο δευτερόλεπτο της ιστορίας του Σύμπαντος. Αν και αυτό το σωματίδιο παραμένει υποθετικό, υπάρχουν πολλοί λόγοι να πιστεύουμε ότι το άξιον θα μπορούσε πραγματικά να υπάρχει μέσα στο Σύμπαν.
Τι ακριβώς είναι το axion;
Τα αξιόνια είναι θεωρητικά θεμελιώδη σωματίδια που, αν και εξακολουθούν να είναι υποθετικά, μπορούν να επιλύσουν ορισμένα πολύπλοκα ερωτήματα στις σύγχρονες θεωρίες σωματιδίων.
Η παρουσία του άξονα θα βοηθούσε στην αντιμετώπιση του ζητήματος της ισχυρής συμμετρίας CP, που σχετίζεται με την ισορροπία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Στην πραγματικότητα, μπορεί να παρέχει μια φυσική εξήγηση για τις εντυπωσιακές ομοιότητες στις ιδιότητες της ύλης και της αντιύλης, παρέχοντας πληροφορίες για την επικράτηση της ύλης έναντι της αντιύλης στο σύμπαν.
Τα Axions μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για τη μυστηριώδη «σκοτεινή ύλη», η οποία αποτελεί το 23% του Σύμπαντος. Η έρευνα δείχνει ότι αυτά τα σωματίδια αντιπροσωπεύουν έναν από τους πιο υποσχόμενους υποψηφίους για συμβολή στην αόρατη ύλη, ή σκοτεινή ύλη, που εμφανίστηκε λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Το άξιον και ο ρόλος του στο πλαίσιο της σκοτεινής ύλης
Λαμβάνοντας υπόψη την πιθανότητα ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από αξιόνια που δημιουργούνται σε μεγάλες ποσότητες μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι ερευνητές εργάζονται επιμελώς για να εντοπίσουν την αξονική σκοτεινή ύλη το συντομότερο δυνατό.
Μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Physical Review D προτείνει ότι η πρόοδος πιο ευαίσθητων οργάνων που στοχεύουν στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης μπορεί να οδηγήσει ακούσια στην ανακάλυψη ενός άλλου δείκτη αξόνων, γνωστό ως CaB. Αυτός ο όρος υποδηλώνει ένα αξόνιο που είναι ανάλογο με το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB) και ονομάζεται Κοσμικό Υπόβαθρο Άξιον. Ωστόσο, λόγω των ομοιοτήτων στις ιδιότητες μεταξύ των αξόνων CaB και σκοτεινής ύλης, υπάρχει κίνδυνος το σήμα CaB να απορριφθεί ως θόρυβος σε πειραματικές ρυθμίσεις.
Για τους επιστήμονες, Η αναγνώριση του CaB θα αντιπροσώπευε μια διπλή ανακάλυψη. Όχι μόνο θα επικύρωνε την ύπαρξη του axion, αλλά θα πρόσφερε επίσης ένα νέο λείψανο του πρώιμου Σύμπαντος στην επιστημονική κοινότητα. Η μέθοδος με την οποία δημιουργήθηκε το CaB θα μπορούσε να αποκαλύψει μέχρι τώρα άγνωστες πτυχές σχετικά με το σχηματισμό και την εξέλιξη του Σύμπαντος.
Μέθοδοι για την ανίχνευση ενός άξονα
Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν από το CERN είχαν ως στόχο την ανίχνευση του άξονα. Ένα πείραμα που έχει σχεδιαστεί για την αναγνώριση του σωματιδίου του άξονα περιλαμβάνει τη χρήση κοιλοτήτων συντονισμού μικροκυμάτων, οι οποίες είναι βαθμονομημένες για τη μάζα του άξονα, τοποθετημένες μέσα σε ισχυρά μαγνητικά πεδία. Αυτή η μεθοδολογία χρησιμοποιείται επί του παρόντος στο πείραμα ADMX στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και έχει τη δυνατότητα να ανιχνεύσει τον άξονα, σε περίπτωση που η σκοτεινή ύλη αποτελείται εξ ολοκλήρου από αξιόνια.
Μια πρόσθετη μέθοδος ανίχνευσης αξόνων περιλαμβάνει τη χρήση ηλιοσκοπίων, ειδικά σχεδιασμένων για την αναγνώριση αξόνων που δημιουργούνται μέσα στον Ήλιο. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός ισχυρού μαγνήτη σε συνδυασμό με ανιχνευτές ακτίνων Χ που έχουν εξαιρετικά χαμηλό φόντο. Αν και δεν έχουν βρεθεί μέχρι σήμερα στοιχεία για άξιον, το πείραμα CAST, το οποίο περιλαμβάνει συνεισφορές από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Σαραγόσα, έχει ξεπεράσει τους αστροφυσικούς περιορισμούς και έχει ανοίξει μια ανεξερεύνητη περιοχή για εξερεύνηση.
