Субатомные частицы могут уже решить две важные загадки физики элементарных частиц. Если они существуют, могут быть не только источником темной материи (синего цвета) в скоплениях галактик во всей вселенной, но также могут объяснить, почему вселенная состоит в основном из материи, а антивещество встречается редко.
Если субатомные частицы существуют, они могут решить две насущные проблемы физики элементарных частиц: источник темной материи, которая наполняет галактики невидимой массой, и причина, по которой взаимодействия между кварками - частицами, которые составляют протоны и нейтроны - придерживаются определенной симметрия природы, называемая CP-симметрией, которую другие виды взаимодействий частиц избегают.
Теперь два исследователя говорят, что аксионы могут решить третью сложную проблему: почему Вселенная состоит в основном из материи, а антивещество встречается редко. В ранней вселенной аксион мог вести себя так, что производит избыток вещества , считают физики элементарных частиц Рэймонд Ко и Кейсуке Харигая в « Письмах о физическом обзоре» от 20 марта.
«У них есть идея, в которой есть все нужные ингредиенты, чтобы делать интересные вещи», - говорит физик Майкл Дайн из Университета Калифорнии в Санта-Круз. Но еще неизвестно, сможет ли идея полностью воспроизвести свойства космоса, говорит он. «Это один из тех случаев, когда дьявол кроется в деталях».
Ученые считают, что 13,8 миллиардов лет назад Большой взрыв породил равные части вещества и антивещества. Поскольку частицы материи и антивещества аннигилируют, когда они встречаются, это оставило бы вселенную, наполненную чистой энергией. Итак, по мере развития Вселенной, какой-то процесс должен был отдавать предпочтение материи, а не антивеществу, но ученые до сих пор не знают наверняка, как это произошло. Некоторые исследователи считают, например, что нейтрино сыграли свою роль.
В настоящее время Co из Мичиганского университета в Анн-Арборе и Harigaya из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, предлагают новую идею о том, как материя взяла верх. Он основан на эволюции аксионного поля, гипотетического эфирного слоя, который пронизывает пространство, подобно тому, как электрическое поле распространяется вокруг электрического заряда.
Колебания напряженности аксионного поля соответствуют аксионным частицам. Изобразите мрамор на дне пластиковой бутылки с газировкой: покачивайте бутылку, и мрамор будет покачиваться взад и вперед в пределах одного из углублений у основания бутылки. Подобные покачивания в аксионном поле порождают аксионы. В ранней вселенной аксионное поле обладало бы большим количеством энергии, прежде чем перейти в состояние с наименьшей возможной энергией - сродни мрамору высоко вверх по стенке бутылки с газировкой, скользящей вниз в диво.
Ко и Харигая предполагают, что вместо того, чтобы катиться прямо по боковой стороне бутылки, аксионное поле вместо этого развернулось бы вокруг бутылки до дна. По словам Ко, благодаря последовательности взаимодействий с участием сильной силы, которая связывает кварки, и слабой силы, которая производит определенные радиоактивные распады, это «приведет к образованию большего количества вещества, чем антивещества в ранней вселенной». »
Ученые в настоящее время ищут аксионы, например, с помощью эксперимента « Аксион темной материи» в Сиэтле. Однако теория Ко и Харигая предсказывает, что аксионы будут немного более массивными, чем то, что ищет ADMX. Будущие эксперименты, такие как Международная Аксионная Обсерватория , могут искать эти более крупные частицы.
Тем не менее, цифры еще не совсем сработали: исследование предсказывает примерно в 100 раз больше темной материи, чем необходимо для объяснения наблюдений за Вселенной. Но некоторые дополнительные соображения могут быть в состоянии исправить это несоответствие, говорят Ко и Харигая, например, если существует еще одна массивная частица, которую ученые еще не обнаружили.