Encontrar o áxion de partícula hipotético pode significar descobrir pela primeira vez o que aconteceu no Universo um segundo após o Big Bang, sugere um novo estudo publicado em Revisão Física D.
Quão longe no passado do Universo podemos olhar hoje? No espectro eletromagnético, as observações do Fundo de Microondas Cósmica – comumente referido como CMB – nos permitem ver quase 14 bilhões de anos até quando o Universo esfriou o suficiente para prótons e elétrons se combinarem e formarem hidrogênio neutro. A CMB nos ensinou muito sobre a evolução do cosmos, mas os fótons na CMB foram liberados 400,000 anos após o Big Bang, tornando extremamente desafiador aprender sobre a história do universo antes dessa época.
Para abrir uma nova janela, um trio de pesquisadores teóricos, incluindo Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Investigador Principal, Universidade da Califórnia, Berkeley, MacAdams Professor of Physics e Lawrence Berkeley National Laboratory cientista sênior Hitoshi Murayama , Lawrence Berkeley National Laboratory pesquisador de física e Universidade da Califórnia, Berkeley, pós-doutorado Jeff Dror (agora na Universidade da Califórnia, Santa Cruz), e UC Berkeley Miller Research Fellow Nicholas Rodd, olharam além dos fótons e no reino das partículas hipotéticas conhecidas como áxions, que podem ter sido emitidos no primeiro segundo da história do Universo.
Em seu artigo, eles sugerem a possibilidade de procurar um análogo de áxion do CMB, o chamado Axion Cósmico Background ou CaB.
Embora hipotéticos, existem muitas razões para suspeitar que o áxion possa existir em nosso Universo.
Por um lado, os áxions são uma previsão genérica da teoria das cordas, uma das melhores esperanças de hoje para uma teoria da gravidade quântica. A existência de um áxion poderia ajudar ainda mais a resolver o enigma de longa data de por que ainda temos que medir um momento de dipolo elétrico para o nêutron, um problema mais formalmente conhecido como o “Forte CP Problem”. Mais recentemente, o áxion tornou-se um candidato promissor para a matéria escura e, como consequência, os pesquisadores estão procurando rapidamente a matéria escura do áxion.
No seu artigo, os investigadores salientam que à medida que os experimentalistas desenvolvem instrumentos mais sensíveis para search para a matéria escura, eles podem tropeçar em outro sinal de áxions na forma do CaB. Mas como o CaB partilha propriedades semelhantes com os axiões da matéria escura, existe o risco de as experiências emitirem o sinal do CaB como ruído.
Encontrar o CaB em um desses instrumentos seria uma dupla descoberta. Não apenas confirmaria a existência do áxion, mas pesquisadores em todo o mundo teriam imediatamente um novo fóssil do Universo primitivo. Dependendo de como o CaB foi produzido, os pesquisadores puderam aprender sobre vários aspectos diferentes da evolução do Universo nunca antes possíveis (Figura).
“O que propomos é que, mudando a maneira como os experimentos atuais analisam os dados, possamos procurar axions remanescentes do universo primitivo. Então, poderemos aprender sobre a origem da matéria escura, transição de fase ou inflação no início do Universo. Já existem grupos experimentais que demonstraram interesse em nossa proposta, e espero que possamos descobrir algo novo sobre o Universo primordial que não era conhecido antes”, diz Murayama.
“A evolução do universo pode produzir áxions com uma distribuição de energia característica. Ao detectar a densidade de energia do universo atualmente composto de áxions, experimentos como MADMAX, HAYSTAC, ADMX e DMRadio podem nos dar respostas para alguns dos quebra-cabeças mais importantes da cosmologia, como: ‘Quão quente nosso universo ficou? ', 'Qual é a natureza da matéria escura?', 'O nosso universo passou por um período de rápida expansão conhecido como inflação?', e 'Já houve uma transição de fase cósmica?'”, diz Dror.
O novo estudo fornece motivos para estar empolgado com o programa de matéria escura axion. Mesmo que a matéria escura não seja feita de áxions, esses instrumentos podem fornecer uma imagem do Universo quando ele tinha menos de um segundo de idade.
Este estudo foi aceito como uma “Sugestão dos Editores” na revista Revisão Física D.
Referência: “Cosmic axion background” de Jeff A. Dror, Hitoshi Murayama e Nicholas L. Rodd, 7 de junho de 2021, Revisão Física D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.103.115004
