Το αξιόνιο λύνει τρία μυστήρια του σύμπαντος

Η περιστροφή του άξονα QCD (μαύρη σφαίρα) παράγει μια περίσσεια ύλης (έγχρωμες μπάλες) πάνω από την αντιύλη, επιτρέποντας έτσι στους γαλαξίες και τους ανθρώπους να υπάρχουν.

Ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται αξιόνιο θα μπορούσε να λύσει ένα από τα σπουδαία μυστήρια της φυσικής: το πλεόνασμα της ύλης πάνω από την αντιύλη ή γιατί είμαστε εδώ. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των σωματιδίων, όταν γεννήθηκε το σύμπαν μας, η συνάντηση της ύλης και της αντιύλης έπρεπε να εξαϋλώσει το ένα το άλλο. Αυτό σημαίνει ότι δεν θα υπήρχε τίποτα – ούτε Γη, ούτε Ήλιος, ούτε Γαλαξίας, ούτε Άνθρωπος.

«Υπάρχει μια σαφής αντίφαση με το καθιερωμένο μοντέλο», δήλωσε ο φυσικός του Πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν Raymond Co. «Γιατί είναι όμως ολόκληρο το σύμπαν γεμάτο με ύλη και πολύ λίγη αντιύλη;» 

Το μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής εξηγεί τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν: τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ασθενή πυρηνική δύναμη και την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι η δύναμη μεταξύ οποιωνδήποτε σωματιδίων που έχουν φορτίο. Η ασθενής δύναμη αναγκάζει τα νετρόνια να διασπαστούν και η ισχυρή δύναμη εξηγεί γιατί τα υποατομικά σωματίδια όπως τα νετρόνια και τα πρωτόνια συγκρατιούνται μαζί στους πυρήνες.

Αλλά υπάρχουν κάποιες αντιφάσεις στο καθιερωμένο  μοντέλο, ένα από τα οποία είναι η έλλειψη ισορροπίας ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη. Το Μοντέλο αυτό επίσης δεν εξηγεί την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης ούτε εξηγεί την παρατηρούμενη ιδιότητα των νετρονίων. 

Για να λύσουν το πρόβλημα των νετρονίων, οι φυσικοί το 1977 πρότειναν ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται αξιόνιο (axion). Πέντε χρόνια αργότερα βρέθηκε ότι το αξιόνιο είναι ικανό να λύσει και το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης. Τώρα, ο Co και ο συνάδελφος του Keisuke Harigaya, ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών, υποδηλώνουν ότι το αξιόνιο μπορεί να εξηγήσει ακόμα ένα πρόβλημα: την ανισορροπία μεταξύ ύλης και αντιύλης. Η έρευνά τους θα δημοσιευθεί στο Physical Review Letters ( «Axiogenesis» ). 

Το υποθετικό σωματίδιο αξιόνιο είναι απεριόριστα ελαφρύ – τουλάχιστον δισεκατομμύρια φορές ελαφρύτερο από το πρωτόνιο και σχεδόν δεν αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη. Αυτό εξηγεί γιατί δεν έχουν ακόμη εντοπιστεί, ακόμη και με όργανα που μας επιτρέπουν να ανιχνεύσουμε πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. 

Το αξιόνιο προτάθηκε αρχικά για να αντιμετωπίσει μια αντίφαση που λέγεται ισχυρό πρόβλημα CP. Όπως μπορεί να έχετε μάθει στη φυσική του γυμνασίου, τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, τα πρωτόνια έχουν θετική φόρτιση και τα νετρόνια δεν έχουν κανένα φορτίο. Ωστόσο, τα νετρόνια αποτελούνται από περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, τα οποία έχουν φορτία. Έτσι οι φυσικοί αναμένουν ότι τα νετρόνια αλληλεπιδρούν με το ηλεκτρικό πεδίο, λέει ο Co. Αλλά δεν το κάνουν. Αν υπάρχει αξιόνιο, θα απενεργοποιήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ των νετρονίων και του ηλεκτρικού πεδίου, λύνοντας έτσι το ισχυρό πρόβλημα CP. 

Το αξιόνιο μπορεί επίσης να είναι ένας καλός υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη, που χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών, μια άλλη αντίφαση του Καθιερωμένου Μοντέλου. Αν οι γαλαξίες περιστρέφονται με την ταχύτητα, με την οποία περιστρέφονται αυτή τη στιγμή, με την ποσότητα της βαρύτητας που έχουν ως βάση την ύλη που βλέπουμε και εκπέμπει φως – θα διασπώνταν. Απλά δεν υπάρχει αρκετή βαρύτητα για να τα συγκρατήσετε. Οι επιστήμονες προτείνουν ότι πρέπει να υπάρχει ένα τεράστιο ποσό ύλης – σαν ένα τεράστιο πεδίο αξιονίων – στους γαλαξίες που δεν μπορούμε να δούμε που μπορεί να εξηγεί την ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών χωρίς αυτοί να διαλύονται. 

Τώρα, οι Co και Harigaya προτείνουν ότι το αξιόνιο μπορεί επίσης να εξηγήσει την ανισορροπία της ύλης και της αντιύλης. Προηγουμένως, οι φυσικοί πίστευαν ότι στα πρώτα στάδια του σύμπαντος, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το πεδίο αξιόνιον ήταν αρχικά στατικό και άρχισε να ταλαντεύεται καθώς το σύμπαν ψύχθηκε.

«Μπορείτε να φανταστείτε το αξιόνιο σαν μια μπάλα σε ένα πλαστικό μπουκάλι σόδα, και η μπάλα κάνει κάποιο είδος ταλάντωσης εμπρός και πίσω γύρω από το χαμηλότερο σημείο της πλαστικής φιάλης», δήλωσε ο Co. 

Αντ ‘αυτού, οι ερευνητές προτείνουν ότι το πεδίο άξιον  είχε πιο ενδιαφέρουσα δυναμική σε αυτό το πρώιμο στάδιο.  Οι Co και Harigaya προτείνουν ότι μέσω των αλληλεπιδράσεων που παρέχονται από την ισχυρή δύναμη και την ασθενή δύναμη, η περιστροφή του αξιόνιου δημιουργεί μόνο μια μικροσκοπική περισσότερη ύλη από την αντιύλη. Όταν η ύλη και η αντιύλη έρχονται μαζί, αντί να καταστρέφονται εντελώς, ένα από τα 10 δισεκατομμύρια μέρη της ύλης αφέθηκε να διαμορφώσει τον κόσμο που βλέπουμε σήμερα.

«Το άξιον προτάθηκε αρχικά από θεωρητικούς φυσικούς σωματιδίων», δήλωσε ο Harigaya. «Από τότε οι θεωρητικοί και οι πειραματικοί φυσικοί σωματιδίων, οι αστροφυσικοί και οι κοσμολόγοι μελετούν το αξιόνιο όλοι μαζί, αποκαλύπτοντας έναν νέο κοσμολογικό ρόλο του αξιόνιου λόγω της εναλλαγής του, ελπίζουμε ότι η εργασία μας θα προωθήσει διεπιστημονική ερευνητική προσπάθεια». 

«Οι άνθρωποι θέλουν πάντα να μάθουν γιατί είμαστε εδώ και αυτό είναι το ζήτημα ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης – με την τεχνική έννοια», δήλωσε ο Co. «Και αυτό που είναι συναρπαστικό στην εργασία μας είναι ότι το αξιόνιο δίνει ταυτόχρονη εξήγηση και στα τρία προβλήματα της σωματιδιακής φυσικής: την σκοτεινή ύλη, την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης και το  πρόβλημα CP (Γιατί φαίνεται η κβαντική χρωμοδυναμική (QCD) να διατηρεί την συμμετρία CP Φορτίου-Ομοτιμίας) .Επειδή αυτά τα προβλήματα δεν έχουν μελετηθεί ταυτόχρονα σε αυτό το πλαίσιο, θα πρέπει να γίνουν πολλά πράγματα για το θέμα αυτό. Πιο αξιοσημείωτο είναι ότι αυτό το πλαίσιο με το αξιόνιο θα τεθεί σε πειραματικές δοκιμές στο εγγύς μέλλον ». 

Οι μελλοντικές σχετικές εργασίες θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν έρευνα για τα κύματα βαρύτητας και την προέλευση της μάζας του νετρίνο. 

ΠΗΓΗ: Πανεπιστήμιο του Michigan – physics4u.wordpress.com