Een van de grootste raadsels voor onderzoekers en wetenschappers is de vorming van het heelal. Onlangs heeft de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) ernaar gestreefd een nieuw deeltje te ontdekken dat bekend staat als een axion en dat voor het eerst informatie kan verschaffen over gebeurtenissen die slechts één seconde na de oerknal in het heelal plaatsvonden.
In dit artikel vertellen we je alles wat je moet weten over de axion, het deeltje dat de oerknal zou kunnen verklaren.
Axionen en donkere materie
Het axion werd aanvankelijk in de jaren zeventig voorgesteld door natuurkundige Roberto Peccei samen met zijn collega Helen Quinn en is een elementair deeltje dat voortkomt uit een theoretisch raamwerk dat bedoeld is om een vraag te beantwoorden binnen de kwantumchromodynamica (QCD), de theorie die de interacties tussen quarks en gluonen beschrijft. . Deze vraag behoort tot het ‘pariteitsbehoudsprobleem’, dat aangeeft dat specifieke kenmerken onveranderd moeten blijven door nucleaire interacties. De introductie van de axion dient als mechanisme om deze symmetrie te herstellen.
Een van de meest opvallende kenmerken van de axion is de potentiële functie ervan als onderdeel van donkere materie, die ongeveer 27% van de totale massa van het heelal vertegenwoordigt. Donkere materie zendt geen licht of radioactiviteit uit, waardoor het onzichtbaar is en alleen waarneembaar door zijn zwaartekrachtsinvloed. Als bewezen wordt dat axionen bestaan, zouden ze in het hele universum overvloedig aanwezig kunnen zijn, wat een rechtvaardiging biedt voor de ongrijpbare aard van donkere materie als extreem lichte en moeilijk te detecteren deeltjes.
De oerknal en axionische deeltjes
De oorspronkelijke explosie die bekend staat als de oerknal en die het begin vormde van de vorming van het universum, is een gebeurtenis die door talloze kosmologische modellen en theorieën wordt onderzocht. Er wordt aangenomen dat er onmiddellijk na de oerknal een verscheidenheid aan deeltjes en straling ontstond. Als er axions bestaan, kunnen deze tijdens deze vroege fase in aanzienlijke aantallen zijn gegenereerd en een rol hebben gespeeld in de evolutie van het universum.
Axion-onderzoek is belangrijk niet alleen voor donkere materie, maar ook om ons begrip van het universum tijdens zijn vormingsfasen te verbeteren. Omdat de oerknal een grote verscheidenheid aan deeltjes voortbracht, kan het mogelijke bestaan van axionen informatie verschaffen over de historische organisatie van materie en energie.
Welke informatie hebben we over de geschiedenis van het heelal?
Tegenwoordig heeft analyse van het elektromagnetische spectrum van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) wetenschappers in staat gesteld bijna 14 miljard jaar terug te gaan naar de tijd dat het heelal voldoende was afgekoeld om protonen en elektronen voor het eerst te binden resulteerde in de vorming van neutrale waterstof.
De fotonen die zijn gedetecteerd in de kosmische microgolfachtergrondwaarnemingen (CMB) werden 400.000 jaar na de oerknal uitgezonden, waardoor het uiterst moeilijk werd om de geschiedenis van het heelal vóór die tijd te bepalen.
Een drietal Britse onderzoekers heeft echter een theorie voorgesteld die wijst op het mogelijke bestaan van een deeltje dat bekend staat als een axion Het zou tijdens de eerste seconde van de geschiedenis van het heelal kunnen zijn uitgezonden. Hoewel dit deeltje hypothetisch blijft, zijn er talloze redenen om aan te nemen dat het axion daadwerkelijk in het heelal zou kunnen bestaan.
Wat is een axion precies?
Axionen zijn theoretische fundamentele deeltjes die, hoewel nog steeds hypothetisch, bepaalde complexe vragen binnen hedendaagse deeltjestheorieën kunnen oplossen.
De aanwezigheid van het axion zou helpen bij het aanpakken van de kwestie van sterke CP-symmetrie, die betrekking heeft op de balans tussen materie en antimaterie. In feite zou het een natuurlijke verklaring kunnen bieden voor de opvallende overeenkomsten in de eigenschappen van materie en antimaterie. terwijl het informatie biedt over de overheersing van materie over antimaterie in het universum.
Axions kunnen informatie verschaffen over de mysterieuze ‘donkere materie’ maakt 23% uit van het heelal. Uit onderzoek blijkt dat deze deeltjes een van de meest veelbelovende kandidaten zijn om bij te dragen aan de onzichtbare materie, of donkere materie, die kort na de oerknal ontstond.
De axion en zijn rol in de context van donkere materie
Gezien de mogelijkheid dat donkere materie kan bestaan uit axionen die in grote hoeveelheden na de oerknal zijn gegenereerd, werken onderzoekers er hard aan om axionische donkere materie zo snel mogelijk te identificeren.
Een artikel gepubliceerd in Physical Review D suggereert dat de vooruitgang van gevoeligere instrumenten gericht op het detecteren van donkere materie onbedoeld kan leiden tot de ontdekking van een andere indicator van axionen, bekend als CaB. Deze term duidt een axion aan dat analoog is aan de Kosmische Microgolf Achtergrond (CMB) en wordt de Kosmische Axion Achtergrond genoemd. Vanwege overeenkomsten in eigenschappen tussen CaB- en donkere-materie-assen bestaat er echter een risico dat het CaB-signaal in experimentele omgevingen als ruis kan worden afgedaan.
Voor wetenschappers, de identificatie van CaB zou een dubbele ontdekking betekenen. Het zou niet alleen het bestaan van het axion bevestigen, maar het zou de wetenschappelijke gemeenschap ook een nieuw overblijfsel van het vroege heelal bieden. De methode waarmee CaB werd gegenereerd zou tot nu toe onbekende facetten over de vorming en evolutie van het heelal kunnen onthullen.
Methoden voor het detecteren van een axion
De experimenten van CERN waren gericht op het detecteren van de axion. Een experiment dat is ontworpen om het axiondeeltje te identificeren, omvat het gebruik van resonante microgolfholtes, die zijn gekalibreerd voor de massa van het axion, geplaatst in sterke magnetische velden. Deze methodologie wordt momenteel gebruikt in het ADMX-experiment aan de Universiteit van Washington en heeft het potentieel om de axion te detecteren, in het geval dat donkere materie volledig uit axionen bestaat.
Een aanvullende methode voor het detecteren van axionen omvat het gebruik van helioscopen, speciaal ontworpen om axionen te identificeren die in de zon worden gegenereerd. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een krachtige magneet in combinatie met röntgendetectoren met een uitzonderlijk lage achtergrond. Hoewel er tot nu toe geen bewijs voor axionen is gevonden, heeft het CAST-experiment, dat bijdragen van onderzoekers van de Universiteit van Zaragoza omvat, astrofysische beperkingen overwonnen en een voorheen onontgonnen gebied voor onderzoek geopend.