Ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται άξιον (axion) θα μπορούσε να λύσει ένα από τα σπουδαία μυστήρια της φυσικής: το πλεόνασμα της ύλης πάνω στην αντιύλη ή γιατί υπάρχουν όλα αυτά που βλέπουμε στον Κόσμο. Αλλά και την εξήγηση της σκοτεινής ύλης καθώς και το ισχυρό πρόβλημα της συμμετρίας CP .
Η περιστροφή του axion (μαύρη σφαίρα) παράγει μια περίσσεια ύλης (έγχρωμες μπάλες) πάνω από την αντιύλη, επιτρέποντας στους γαλαξίες και τους ανθρώπους να υπάρχουν.
Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο Φυσικής των σωματιδίων, όταν γεννήθηκε το σύμπαν μας, η συνάντηση της ύλης και της αντιύλης έπρεπε να εξαυλώσει το ένα το άλλο παράγοντας μόνο ακτινοβολία. Αυτό σημαίνει ότι δεν θα υπήρχε τίποτα – ούτε Γη, ούτε Ήλιος, ούτε Γαλαξίας, ούτε Άνθρωπος. Αλλά υπάρχουν.
“Υπάρχει μια σαφής αντίφαση με το Καθιερωμένο Μοντέλο”, δήλωσε ο ερευνητής φυσικός του Πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν Raymond Co. “Γιατί είναι ολόκληρο το σύμπαν γεμάτο με ύλη και πολύ λίγο αντιύλη;”
Το πρότυπο 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 μέσα στον πυρήνα και η ισχυρή δύναμη εξηγεί γιατί τα νετρόνια και τα πρωτόνια συγκρατούνται μαζί μέσα στους πυρήνες.
Αλλά υπάρχουν κάποιες αντιφάσεις στο Μοντέλο αυτό, ένα από τα οποία είναι η έλλειψη ισορροπίας ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη. Επίσης, δεν εξηγεί την ύπαρξη σκοτεινής ύλης ούτε εξηγεί την παρατηρούμενη ιδιότητα των νετρονίων.
Για να λύσουν το πρόβλημα των νετρονίων, οι φυσικοί του 1977 πρότειναν ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται άξιον (axion). Πέντε χρόνια αργότερα βρέθηκε ότι το άξιον είναι ικανό να λύσει και το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης. Τώρα, ο Co και ο συν-συγγραφέας Keisuke Harigaya, ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών, υποδηλώνουν ότι το άξιον μπορεί να εξηγήσει ακόμα ένα πρόβλημα: την ανισορροπία μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Η έρευνά τους θα δημοσιευθεί στο Physical Review Letters
Το υποθετικό αξονικό σωματίδιο 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 άξιον 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 θετικό και τα νετρόνια δεν έχουν κανένα. Ωστόσο, τα νετρόνια αποτελούνται από περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, τα οποία έχουν φορτία. Έτσι οι φυσικοί ανέμεναν ότι τα νετρόνια να αλληλεπιδρούν με το ηλεκτρικό πεδίο, λέει ο Co. Αλλά δεν το κάνουν. Αν υπάρχει άξιον, τότε αυτό θα απενεργοποιήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ των νετρονίων και του ηλεκτρικού πεδίου, λύνοντας έτσι το ισχυρό πρόβλημα CP.
Το άξιον μπορεί επίσης να είναι ένας καλός υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη, που χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών δίχως να έχουν την απαιτούμενη μάζα, μια άλλη αντίφαση του Καθιερωμένου Μοντέλου. Εάν οι γαλαξίες περιστρέφονται με την ταχύτητα με την οποία περιστρέφονται αυτή τη στιγμή, με την βαρύτητα που στηρίζεται μόνο στην φωτεινή βαρυονική ύλη – που μπορούμε να τη δούμε γιατί εκπέμπει φως – τότε οι γαλαξίες θα είχαν διασπαστεί σε πολλά κομμάτια χωριστά. Απλά δεν υπάρχει αρκετή βαρύτητα για να τα συγκρατήσετε. Οι επιστήμονες προτείνουν ότι πρέπει να υπάρχει μια τεράστια ποσότητα ύλης – όπως ένα τεράστιο πεδίο αξιονίων – στους γαλαξίες που δεν μπορούμε να δούμε που όμως μπορεί εξηγεί την τεράστια ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών, χωρίς να διασπαστούν.
Τώρα, οι Co και ο Harigaya προτείνουν ότι το άξιον μπορεί επίσης να εξηγήσει την ανισορροπία της ύλης και της αντιύλης. Προηγουμένως, οι φυσικοί πίστευαν ότι στα πρώτα στάδια του σύμπαντος, αμέσως μετά τη Μεγάλο Έκρηξη, το πεδίο άξιον ήταν αρχικά στατικό και άρχισε να ταλαντεύεται καθώς το σύμπαν ψύχθηκε.
“Μπορείτε να φανταστείτε το αξιόνιο σαν μια μπάλα σε ένα πλαστικό μπουκάλι σόδας, και η μπάλα κάνει κάποιο είδος ταλάντωσης εμπρός και πίσω γύρω από το χαμηλότερο σημείο της πλαστικής φιάλης”, δήλωσε ο Co.
Αντ ιθέτως, οι ερευνητές προτείνουν ότι το πεδίο άξιον είχε πιο ενδιαφέρουσα δυναμική σε αυτό το πρώιμο στάδιο του σύμπαντος. Φανταστείτε το πλαστικό μπουκάλι, λέει ο Co. Πριν να ρολλάρει μπρός και πίσω κατά μήκος του πυθμένα της φιάλης, το άξιον στρεφόταν με ένα κυκλικό μοτίβο γύρω από το σώμα της φιάλης. Οι Co και Harigaya προτείνουν ότι μέσω των αλληλεπιδράσεων που προβλέπονται από την ισχυρή και την ασθενή δύναμη, η περιστροφή του άξιον δημιουργεί ένα πολύ μικρότερο ποσόν ύλης από την αντιύλη. Όταν η ύλη και η αντιύλη έρχονται σε επαφή, αντί να καταστρέφονται (εξαϋλώνονται) εντελώς, 1 μέρος 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 άξιον όλοι μαζί. Έχουμε αποκαλύψει ένα νέο κοσμολογικό ρόλο του λόγω της περιστροφής. Ελπίζουμε ότι η εργασία μας θα προωθήσει μια διεπιστημονική ερευνητική προσπάθεια ».
“Οι άνθρωποι θέλουν πάντα να γνωρίζουν γιατί είμαστε εδώ και αυτή είναι η ασυμμετρία μεταξύ ύλης-αντιύλης – αν το πούμε με την τεχνική έννοια”, δήλωσε ο Co. “Και αυτό που είναι συναρπαστικό στην δουλειά μας είναι ότι το άξιον δίνει ταυτόχρονη εξήγηση και στα τρία προβλήματα της φυσικής των σωματιδίων: τη σκοτεινή ύλη, την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης και το ισχυρό πρόβλημα της συμμετρίας CP (–γιατί η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που συνδέει μαζί τα νετρόνια και πρωτόνια, αναπάντεχα διατηρεί μια συμμετρία, που λέγεται Συμμετρία Ισοτιμίας Φορτίου – Charge Parity CP symmetry. Δεδομένου ότι τα προβλήματα αυτά δεν έχουν μελετηθεί ταυτόχρονα σε αυτό το πλαίσιο του αξιονίου, πρέπει να γίνουν πολλά πράγματα για το θέμα αυτό. Πιο αξιοσημείωτο είναι ότι αυτό το πλαίσιο του αξιονίου θα τεθεί σε πειραματικές δοκιμές στο εγγύς μέλλον. ”
Η μεγαλύτερη κατανόηση της πρόσφατα ανακαλυμμένης δυναμικής της κβαντικής χρωμοδυναμικής (QCD) του άξιον, θα μπορούσε ενδεχομένως να αλλάξει την ιστορία διαστολής του σύμπαντος και έτσι να βελτιώσει τη μελέτη των βαρυτικών κυμάτων. Οι μελλοντικές σχετικές εργασίες θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν έρευνα για τα κύματα βαρύτητας και την προέλευση της μάζας του νετρίνο.
