Das Finden des hypothetischen Teilchenaxions könnte bedeuten, zum ersten Mal herauszufinden, was eine Sekunde nach dem Urknall im Universum passiert ist, schlägt eine neue Studie vor, die in . veröffentlicht wurde Körperliche Überprüfung D.
Wie weit können wir heute in die Vergangenheit des Universums zurückblicken? Im elektromagnetischen Spektrum erlauben uns Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds – allgemein als CMB bezeichnet – fast 14 Milliarden Jahre zurück zu blicken, als das Universum ausreichend abgekühlt war, damit Protonen und Elektronen sich verbinden und neutralen Wasserstoff bilden konnten. Die CMB hat uns eine Menge über die Entwicklung des Kosmos gelehrt, aber Photonen in der CMB wurden 400,000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt, was es extrem schwierig macht, etwas über die Geschichte des Universums vor dieser Epoche zu lernen.
Um ein neues Fenster zu öffnen, ein Trio theoretischer Forscher, darunter Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Principal Investigator, University of California, Berkeley, MacAdams Professor of Physics und Lawrence Berkeley National Laboratory Senior Faculty Scientist Hitoshi Murayama , Lawrence Berkeley National Laboratory Physikforscher und University of California, Berkeley, Postdoktorand Jeff Dror (jetzt an der University of California, Santa Cruz) und UC Berkeley Miller Research Fellow Nicholas Rodd, blickten über Photonen hinaus und in das Reich der hypothetischen Teilchen, die bekannt sind als Axionen, die möglicherweise in der ersten Sekunde der Geschichte des Universums emittiert wurden.
In ihrer Arbeit schlagen sie die Möglichkeit vor, nach einem Axion-Analogon des CMB zu suchen, einem sogenannten Cosmic Axion Background oder CaB.
Obwohl hypothetisch, gibt es viele Gründe zu vermuten, dass das Axion in unserem Universum existieren könnte.
Zum einen sind Axionen eine generische Vorhersage der Stringtheorie, eine der heutigen Hoffnungen für eine Theorie der Quantengravitation. Die Existenz eines Axions könnte weiter dazu beitragen, das seit langem bestehende Rätsel zu lösen, warum wir noch kein elektrisches Dipolmoment für das Neutron messen müssen, ein Problem, das formal als „Strong CP Problem“ bekannt ist. In jüngerer Zeit hat sich das Axion zu einem vielversprechenden Kandidaten für dunkle Materie entwickelt, und als Konsequenz suchen Forscher schnell nach der dunklen Materie des Axions.
In ihrer Arbeit weisen die Forscher darauf hin, dass Experimentatoren immer empfindlichere Instrumente entwickeln search Bei der Suche nach dunkler Materie könnten sie auf ein weiteres Zeichen von Axionen in Form des CaB stoßen. Da das CaB jedoch ähnliche Eigenschaften wie Axionen der Dunklen Materie aufweist, besteht die Gefahr, dass die Experimente das CaB-Signal als Rauschen ausstrahlen.
Das CaB an einem dieser Instrumente zu finden, wäre eine doppelte Entdeckung. Es würde nicht nur die Existenz des Axions bestätigen, sondern Forscher weltweit hätten sofort ein neues Fossil aus dem frühen Universum. Je nachdem, wie das CaB hergestellt wurde, konnten die Forscher verschiedene Aspekte der Entwicklung des Universums kennenlernen, die noch nie zuvor möglich waren (Abbildung).
„Wir haben vorgeschlagen, dass wir durch eine Änderung der Art und Weise, wie aktuelle Experimente Daten analysieren, möglicherweise nach übrig gebliebenen Axionen aus dem frühen Universum suchen können. Dann könnten wir vielleicht etwas über den Ursprung der Dunklen Materie, den Phasenübergang oder die Inflation am Anfang des Universums erfahren. Es gibt bereits experimentelle Gruppen, die Interesse an unserem Vorschlag gezeigt haben, und ich hoffe, wir können etwas Neues über das frühe Universum herausfinden, das vorher nicht bekannt war“, sagt Murayama.
„Die Evolution des Universums kann Axionen mit einer charakteristischen Energieverteilung hervorbringen. Durch die Ermittlung der Energiedichte des derzeit aus Axionen bestehenden Universums könnten uns Experimente wie MADMAX, HAYSTAC, ADMX und DMRadio Antworten auf einige der wichtigsten Rätsel der Kosmologie geben, wie zum Beispiel: „Wie heiß wurde unser Universum? ', 'Was ist die Natur der Dunklen Materie?', 'Hat unser Universum eine Phase der schnellen Expansion durchgemacht, die als Inflation bekannt ist?' und 'Gab es jemals einen kosmischen Phasenübergang?'“, sagt Dror.
Die neue Studie lässt auf das Dark-Materie-Programm von axion gespannt sein. Auch wenn Dunkle Materie nicht aus Axionen besteht, können diese Instrumente ein Bild des Universums liefern, als es weniger als eine Sekunde alt war.
Diese Studie wurde als „Editors' Suggestion“ in die Zeitschrift aufgenommen Körperliche Überprüfung D.
Referenz: „Cosmic Axion Background“ von Jeff A. Dror, Hitoshi Murayama und Nicholas L. Rodd, 7. Juni 2021, Körperliche Überprüfung D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.103.115004
