Το Axions θα έλυνε ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα στη Φυσική

Οι φυσικοί έχουν υποθέσει εδώ και καιρό την ύπαρξη ενός μικροσκοπικού σωματιδίου που ονομάζεται άξιον που θα μπορούσε να λύσει μόνος του δύο μυστήρια. Θα μπορούσε να οφείλεται σε μια αινιγματική ιδιότητα των κουάρκ, των στοιχειωδών σωματιδίων μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια, και θα μπορούσε να περιλαμβάνει τη σκοτεινή ύλη που γεμίζει το σύμπαν. Τώρα, οι συγγραφείς μιας εργασίας που θα δημοσιευθεί αυτή την εβδομάδα στο Physical Review Letters δείχνουν ότι το άξιον θα μπορούσε να είναι η σπάνια πέτρα που σκοτώνει και ένα τρίτο πουλί — το ερώτημα γιατί υπάρχει πολύ περισσότερη ύλη από αντιύλη στο σύμπαν.

«Βρήκαμε κάποια νέα δυναμική του άξονα που παράγει την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης», δήλωσε ο Keisuke Harigaya, φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, ο οποίος συνεργάστηκε στην εργασία με τον Raymond Co του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν.

Ο φυσικός Μάικλ Ντάιν, κορυφαίος ειδικός στα άξιον με έδρα το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ, χαρακτήρισε την εργασία των Co and Harigaya «σίγουρα μια ενδιαφέρουσα πρόταση» που «υποδεικνύει έναν τρόπο με τον οποίο το αξίον μπορεί να είναι σημαντικό στην κοσμολογία που δεν έχει, οι γνώσεις μου, έχουν ληφθεί υπόψη στο παρελθόν.»

Η νέα ιδέα, που ονομάζεται axiogenesis, θα μπορούσε να παρακινήσει περαιτέρω τις πειραματικές αναζητήσεις για το axion. Ορισμένα από αυτά, συμπεριλαμβανομένου του πειράματος ADMX στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη, ενώ άλλα είναι προγραμματισμένα ή υπό κατασκευή σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.

Η ιδέα για αυτό το σωματίδιο προήλθε από την εργασία των φυσικών Roberto Peccei και Helen Quinn, οι οποίοι το 1977 οραματίστηκαν ένα πεδίο ενέργειας που διαπερνά όλο το διάστημα. Έδειξαν ότι αυτό το ενεργειακό πεδίο θα έλυνε το «ισχυρό πρόβλημα CP» - αναμφισβήτητα το μεγαλύτερο μυστήριο της φύσης για το οποίο κανείς δεν γνωρίζει. Το πρόβλημα ρωτά γιατί η ισχυρή πυρηνική δύναμη επηρεάζει τα κουάρκ με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που επηρεάζει τα αντικουάρκ που αντανακλώνται σε έναν καθρέφτη. δηλαδή γιατί η δύναμη σέβεται τη συμμετρία φορτίου-ισοτιμίας (ή CP). Το ερώτημα περιορίζεται στο ερώτημα γιατί μια συγκεκριμένη γωνία στις εξισώσεις που περιγράφουν την ισχυρή δύναμη έχει τιμή μηδέν. Η γωνία - θ, ή θήτα - θα μπορούσε να κυμαίνεται από μηδέν έως 360 μοίρες, αντιπροσωπεύοντας βαθμούς διαφοράς μεταξύ των κουάρκ και των αντικουάρκ κατοπτρικής εικόνας. Μια παρόμοια γωνία που σχετίζεται με την ασθενή πυρηνική δύναμη έχει τιμή περίπου 43,5 μοιρών. Αλλά το θ έχει μετρηθεί ότι είναι μικρότερο από 0,000000001 μοίρες.

Το πεδίο του Peccei και του Quinn επέτρεψε στο θ να πέσει φυσικά στο μηδέν κατά τη γέννηση του σύμπαντος. Οι βραβευμένοι με Νόμπελ φυσικοί Frank Wilczek και Steven Weinberg μελέτησαν το σχετικό σωματίδιο του πεδίου, το οποίο ο Wilczek ονόμασε το axion από μια μάρκα απορρυπαντικού πλυντηρίου. Οι ερευνητές αργότερα συνειδητοποίησαν ότι τα αόρατα σωματίδια του άξονα θα μπορούσαν να έχουν ιδιότητες κατάλληλες για τη σκοτεινή ύλη, τα πέντε έκτα που λείπουν του σύμπαντος. Το axion είναι πλέον ένας από τους κορυφαίους υποψηφίους για τη σκοτεινή ύλη και παραμένει η πιο γνωστή λύση στο πρόβλημα της ισχυρής CP.

Όμως, ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του σύμπαντος, ενώ το θ έπεφτε στο μηδέν, συνέβη ένα άλλο μυστηριώδες πράγμα:Προέκυψαν περισσότερα σωματίδια ύλης από σωματίδια αντιύλης. Αν δεν είχε συμβεί αυτό, οι ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης θα είχαν εκμηδενιστεί και δεν θα υπήρχαμε.

Ο Co και ο Harigaya, που άρχισαν να συνεργάζονται πριν από μερικά χρόνια ως μεταπτυχιακός φοιτητής και μεταδιδάκτορας (αντίστοιχα) στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, ανακάλυψαν ότι λίγα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του σύμπαντος, καθώς το πεδίο του άξονα εγκαταστάθηκε στο σταθερή κατάσταση, το θ μπορεί να μην έχει πέσει κατευθείαν στο μηδέν. μάλλον, μπορεί να έκανε κύκλο μεταξύ μηδέν και 360 μοιρών στην πορεία. Αυτό θα είχε προκαλέσει την περιστροφή του πεδίου του άξονα, δημιουργώντας περίσσεια ύλης σε σχέση με την αντιύλη.

Για να κατανοήσετε πώς η περιστροφή του πεδίου του άξονα θα μπορούσε να εξηγήσει την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, απεικονίστε το κάτω μέρος ενός μπουκαλιού κρασιού ή, όπως προτιμούσαν ο Peccei και ο Quinn, ένα μεξικάνικο καπέλο με πολύ ψηλό χείλος. Αυτό είναι το σχήμα της μαθηματικής συνάρτησης που ορίζει το πεδίο του άξονα. Το θ αντιστοιχεί στη γωνιακή θέση γύρω από το καπέλο και το ύψος της στεφάνης ή των πλευρών του καπέλου αντανακλά την ποσότητα ενέργειας στο πεδίο.

Όταν το πεδίο του άξονα θεωρητικά εμφανίστηκε στο πρώιμο σύμπαν, το αποτέλεσμα ήταν σαν ένα μάρμαρο που προσγειώθηκε στο χείλος του μεξικανικού καπέλου. Η θέση του μαρμάρου αντικατοπτρίζει τις ιδιότητες του χωραφιού.

Φυσικά, το μάρμαρο θα κυλήσει κάτω από το χείλος προς το κέντρο του καπέλου. Οι υπολογισμοί των Peccei και Quinn έδειξαν ότι το καπέλο - η μαθηματική συνάρτηση που ορίζει το πεδίο - θα έχει κλίση με τρόπο που θα κάνει το μάρμαρο να καθίσει φυσικά στο χαμηλότερο σημείο του καπέλου σε μια γωνιακή θέση μηδέν μοιρών. (Το μάρμαρο θα έχει ταλαντωθεί γύρω από αυτό το ελάχιστο καθώς καθιζάνει, δημιουργώντας σκοτεινή ύλη του άξονα.) Το μεξικανικό καπέλο γέρνει προς την κατεύθυνση του μηδέν επειδή, σε αυτό το μοντέλο, οποιαδήποτε άλλη τιμή του θ κοστίζει ενέργεια.

Στη νέα δουλειά, ο Co και ο Harigaya υποστηρίζουν ότι το καπέλο δεν θα έμοιαζε όπως ο Peccei και ο Quinn οραματίστηκαν. Από τα τέλη της δεκαετίας του '70, οι ερευνητές έχουν μελετήσει ως επί το πλείστον το καπέλο σε κενό, χωρίς στοιχεία από άλλους τομείς. Όμως ο Co και ο Harigaya γνωρίζουν τώρα μια εικασία, που υποστηρίζεται όλο και περισσότερο από ερευνητές της κβαντικής βαρύτητας, ότι μπορεί να μην υπάρχουν τέλειες ή «σφαιρικές» συμμετρίες στη φύση. Εξαιτίας αυτού, η μαθηματική συνάρτηση που καθορίζει το πεδίο του άξονα δεν θα μπορούσε να είναι απολύτως ίδια παντού. Άλλες κβαντικές δυνάμεις και πεδία πρέπει να επηρέασαν το πεδίο του άξονα με τρόπο που έκανε το χείλος του καπέλου τρεμάμενο.

Αυτά τα κουνήματα σημαίνουν ότι το μάρμαρο, καθώς κυλούσε προς τα κάτω από την πλευρά του χείλους, δεν θα έπεφτε κατευθείαν στη θέση όπου θ =0. Αντίθετα, το μάρμαρο θα κλωτσούσε στο πλάι από τα κουνήματα, και αυτό θα το έκανε να κυλήσει γύρω το καπέλο, η γωνιακή του συντεταγμένη θ κινείται μεταξύ μηδέν και 360. Σταδιακά, η περιστροφή του μαρμάρου θα επιβραδύνθηκε καθώς το πεδίο παρουσίαζε τριβή με τη μορφή αλληλεπιδράσεων με άλλα πεδία ύλης. Η κινητική ενέργεια του πεδίου του άξονα θα διαχυθεί σε αυτά τα άλλα πεδία και θα δημιουργήσει σωματίδια.

Επειδή το μάρμαρο περιστρεφόταν προς τη μία κατεύθυνση - αριστερόστροφα - και όχι προς την άλλη, θα έδινε ένα πρόσημο στις εξισώσεις της σωματιδιακής φυσικής αντί για ένα σύμβολο μείον, δίνοντας ηλεκτρόνια και σωματίδια που μοιάζουν με ηλεκτρόνια αντί για τα αντίστοιχα της αντιύλης. Αυτή η περίσσεια ηλεκτρονίων θα είχε ως αποτέλεσμα το τεράστιο πλεόνασμα κουάρκ που παρατηρείται σήμερα. «Μπορείτε να πείτε ότι πρέπει να είμαστε μισοτυχεροί» για να πάρουμε τη σωστή κατεύθυνση περιστροφής και το σωστό σημάδι, είπε ο Co. "Αλλά αποδεικνύεται ότι αν πηγαίναμε προς την αντίθετη κατεύθυνση, θα εξακολουθούσαμε να αποκαλούμε τον εαυτό μας ύλη αντί για αντιύλη."

Μόλις οι Co και Harigaya σκέφτηκαν το περιστρεφόμενο πεδίο του άξονα και την κυκλική εξέλιξη του θ, «καταλάβαμε ότι το υπόλοιπο είναι σχεδόν αυτόματο», είπε ο Co. "Απλώς κάνουμε τον υπολογισμό για να δούμε πόσο αποτελεσματικός είναι ο ρυθμός μεταφοράς από την περιστροφή του άξονα στα κουάρκ στην ασυμμετρία ύλης-αντιύλης."

Το μοντέλο αξιογένεσης των Co και Harigaya προβλέπει την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου που σχετίζεται με το μποζόνιο Higgs, αλλά 10 φορές πιο βαρύ. Ένα τέτοιο σωματίδιο χρειάζεται για να γίνουν τα πάντα τη σωστή στιγμή κατά την αρχέγονη εξέλιξη του πεδίου του άξονα. «Αν απαιτούμε τόσο η σκοτεινή ύλη όσο και η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης να εξηγούνται από τη νέα δυναμική που έχουμε βρει», είπε ο Harigaya, τότε η ύπαρξη αυτού του νέου μποζονίου τύπου Higgs «είναι στην πραγματικότητα μια [σταθερή] πρόβλεψη». P>

Το προβλεπόμενο σωματίδιο είναι πολύ μεγάλο για να ανακαλυφθεί από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων της Ευρώπης, αλλά μπορεί να φανεί με τον προγραμματισμένο LHC Υψηλής Φωτεινότητας, που πρόκειται να ξεκινήσει το 2027 ή με έναν μελλοντικό επιταχυντή σωματιδίων υψηλότερης ενέργειας.

Ακόμα κι αν το σωματίδιο δεν εμφανίζεται, οι παραλλαγές στο μοντέλο του Co και του Hariyaga μπορεί να κάνουν διαφορετικές προβλέψεις. Σύμφωνα με τον Dine, το περιστρεφόμενο πεδίο άξονα είναι μια σχετικά απλή ιδέα, αν και οι υπολογισμοί που εμπλέκονται είναι περίπλοκοι. Είπε, "Για μένα, αυτό που είναι καινούργιο είναι αυτή η παρατήρηση ότι κάποιος πρέπει να σκεφτεί όχι μόνο αυτή την κίνηση σταδιακά στο ελάχιστο, αλλά την πιθανότητα ότι το αξόνιο κτυπά γύρω από αυτό το μεξικάνικο καπέλο και ποιες συνέπειες μπορεί να έχει αυτό."

Ο Dine είπε ότι η νέα εργασία «θα επηρεάσει σίγουρα τη δική μου δουλειά» και ότι θα είναι «ιδιαίτερα περίεργος να καταλάβει» εάν η κίνηση του άξονα παράγει φυσικά τη σωστή ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, ενώ εξακολουθεί να παράγει τη σωστή ποσότητα σκοτεινής ύλης και να λύσει το έντονο πρόβλημα CP "ή απαιτεί, αντ' αυτού, εκπληκτικές συμπτώσεις" — μια προσαρμογή των ρυθμών και των αποτελεσμάτων που φαίνεται απίθανο να συμβεί στη φύση.

Ωστόσο, ο Wilczek, ο πρωτοπόρος του axion, που κέρδισε το Νόμπελ για άσχετη εργασία σχετικά με την ισχυρή δύναμη, θεωρεί την πρόταση αξιογένεσης του Co και της Harigaya αρκετά αντισυμβατική και εικαστική. Η ιδέα ότι η τιμή του θ αλλάζει, "εκ πρώτης όψεως, δεν ικανοποιεί τις εξισώσεις των αξόνων", είπε ο Wilczek, αν και αναγνώρισε γελώντας ότι "λένε, "Λοιπόν, ίσως οι εξισώσεις των αξόνων δεν είναι αρκετά σωστά.'» Ο Wilczek είπε ότι δεν βλέπει πειστικά στοιχεία για την εικασία χωρίς παγκόσμιες συμμετρίες, την οποία χρησιμοποιούν οι Co και Harigaya για να δικαιολογήσουν τα κουνάγματα στο axion sombrero τους.

Αλλά αν το άξιον μπορεί ενδεχομένως να λύσει δύο βασικούς γρίφους σχετικά με τη φύση ή τρεις, είπε ο Wilczek, «ίσως το πιο σημαντικό πείραμα στη θεμελιώδη φυσική που έρχεται να είναι η αναζήτηση για αξιόνια. Και αν αυτό το ενθαρρύνει, αυτό είναι προς το καλό."