Обнаружение гипотетического аксиона частицы может означать впервые выяснить, что произошло во Вселенной через секунду после Большого взрыва, предполагает новое исследование, опубликованное в Физический обзор D.
Как далеко в прошлое Вселенной мы можем заглянуть сегодня? В электромагнитном спектре наблюдения космического микроволнового фона, обычно называемого реликтовым излучением, позволяют нам вернуться почти на 14 миллиардов лет назад, когда Вселенная остыла достаточно, чтобы протоны и электроны объединились и образовали нейтральный водород. Реликтовое излучение научило нас многому об эволюции космоса, но фотоны реликтового излучения были выпущены через 400,000 XNUMX лет после Большого взрыва, что делает чрезвычайно сложным изучение истории Вселенной до этой эпохи.
Чтобы открыть новое окно, трио исследователей-теоретиков, в том числе главный исследователь Института физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU), Калифорнийский университет в Беркли, профессор физики МакАдамса МакАдамса и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Хитоши Мураяма , Исследователь физики Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийский университет в Беркли, научный сотрудник Джефф Дрор (сейчас работает в Калифорнийском университете в Санта-Круз) и научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Миллер Николас Родд заглянули за рамки фотонов и в область известных гипотетических частиц. в виде аксионов, которые могли быть испущены в первую секунду истории Вселенной.
В своей статье они предлагают возможность поиска аксионного аналога реликтового излучения, так называемого космического аксионного фона или CaB.
Хотя это гипотетически, есть много причин подозревать, что аксион может существовать в нашей Вселенной.
Во-первых, аксионы - это общее предсказание теории струн, одна из самых лучших надежд сегодняшнего дня для теории квантовой гравитации. Существование аксиона могло бы еще больше помочь разрешить давнюю загадку, почему мы до сих пор не измерили электрический дипольный момент нейтрона, проблему, более формально известную как «проблема сильной CP». Совсем недавно аксион стал многообещающим кандидатом на роль темной материи, и, как следствие, исследователи стремительно ищут аксионную темную материю.
В своей статье исследователи отмечают, что по мере того, как экспериментаторы разрабатывают более чувствительные инструменты для по области применения для темной материи они могут наткнуться на еще один признак аксионов в виде CaB. Но поскольку CaB обладает схожими свойствами с аксионами темной материи, существует риск, что эксперименты выбрасывают сигнал CaB как шум.
Обнаружить CaB на одном из этих инструментов было бы двойным открытием. Это не только подтвердило бы существование аксиона, но и исследователи всего мира сразу же получили бы новую окаменелость из ранней Вселенной. В зависимости от того, как был произведен CaB, исследователи могли узнать о различных аспектах эволюции Вселенной, которые раньше были невозможны (рисунок).
«Мы предположили, что, изменив способ анализа данных текущими экспериментами, мы сможем искать оставшиеся аксионы из ранней Вселенной. Тогда мы сможем узнать о происхождении темной материи, фазовом переходе или инфляции в начале Вселенной. Уже есть экспериментальные группы, которые проявили интерес к нашему предложению, и я надеюсь, что мы сможем узнать что-то новое о ранней Вселенной, чего раньше не знали », - говорит Мураяма.
«В ходе эволюции Вселенной могут образоваться аксионы с характерным распределением энергии. Обнаружив плотность энергии Вселенной, которая в настоящее время состоит из аксионов, такие эксперименты, как MADMAX, HAYSTAC, ADMX и DMRadio, могут дать нам ответы на некоторые из самых важных загадок космологии, такие как: «Насколько горячей стала наша Вселенная? «Какова природа темной материи?», «Проходила ли наша Вселенная период быстрого расширения, известный как инфляция?» И «Происходил ли когда-либо космический фазовый переход?», - говорит Дрор.
Новое исследование дает повод для восторга по поводу аксионной программы темной материи. Даже если темная материя не состоит из аксионов, эти инструменты могут предоставить изображение Вселенной, когда ей меньше секунды.
Это исследование было принято в журнале как «Предложение редакции». Физический обзор D.
Ссылка: «Космический аксионный фон» Джеффа А. Дрора, Хитоши Мураямы и Николаса Л. Родда, 7 июня 2021 г., Физический обзор D.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.103.115004
