Аксионы могут рассказать нам о рождении Вселенной

Обнаружение гипотетической частицы темной материи — аксиона, может помочь узнать, что произошло во Вселенной через секунду после Большого взрыва, предполагает новое исследование.

Как далеко в прошлое Вселенной мы можем заглянуть сегодня? В электромагнитном спектре наблюдения космического микроволнового фона, обычно называемого реликтовым излучением, позволяют нам вернуться почти на 14 миллиардов лет назад, когда Вселенная остыла достаточно, чтобы протоны и электроны объединились и образовали нейтральный водород.

Реликтовое излучение научило нас многому об эволюции космоса, но фотоны реликтового излучения были выпущены через 400 000 лет после Большого взрыва, что делает чрезвычайно сложным изучение истории Вселенной до этой эпохи.

Чтобы приоткрыть эту тайну, физики-теоретики заглянули за рамки фотонов — в область гипотетических частиц аксионов, которые могли быть испущены в первую секунду жизни Вселенной.

В своей статье они предлагают возможность поиска аксионного аналога реликтового излучения, так называемого космического аксионного фона или CaB.

Хотя это гипотетическое предположение, есть много причин подозревать, что аксионы могут существовать в нашей Вселенной.

Во-первых, аксионы — это общее предсказание теории струн, одна из самых лучших надежд на сегодняшний день для теории квантовой гравитации. Существование аксионов могло бы помочь разрешить давнюю загадку, почему мы до сих пор не измерили электрический дипольный момент нейтрона, проблему, более формально известную как «проблема сильной CP».

Совсем недавно аксионы стали многообещающими кандидатами на роль частиц темной материи, и, как следствие, исследователи упорно ищут аксионную темную материю.

В своей статье физики отмечают, что по мере того, как экспериментаторы разрабатывают более чувствительные инструменты для поиска темной материи, они могут наткнуться на еще один признак аксионов в виде CaB. Но поскольку CaB обладает схожими свойствами с аксионами темной материи, существует риск, что экспериментаторы отбросят сигнал CaB в виде шума.

Обнаружить CaB на одном из этих инструментов было бы двойным открытием. Это не только подтвердит существование аксиона, но и позволит исследователям во всем мире немедленно получить новый артефакт из ранней Вселенной. В зависимости от того, как был произведен CaB, исследователи могли бы узнать о различных аспектах эволюции Вселенной, о которые сейчас узнать невозможно.

«Мы предположили, что, изменив способ анализа данных в текущих экспериментах, мы сможем искать оставшиеся аксионы из ранней Вселенной. Тогда мы сможем узнать о происхождении темной материи, фазовом переходе или инфляция в начале жизни Вселенной. Уже есть экспериментальные группы, которые проявили интерес к нашему предложению, и я надеюсь, что мы сможем узнать что-то новое о ранней Вселенной, чего раньше не знали», — говорит Хитоши Мураяма, один из авторов статьи.

«Эволюция Вселенной может производить аксионы с характерным распределением энергии. Обнаружив плотность энергии Вселенной, которая в настоящее время состоит из аксионов, такие эксперименты, как MADMAX, HAYSTAC, ADMX и DMRadio, могут дать нам ответы на некоторые из наиболее важных головоломок в космологии, таких как: «Насколько горячей была наша Вселенная? Какова природа темной материи? Претерпела ли наша Вселенная период быстрого расширения, известный как инфляция? Был ли когда-нибудь космический фазовый переход?» — объясняют ученые.

Новое исследование дает повод для надежды по поводу поиска аксионной темной материи. Даже если темная материя не состоит из аксионов, эти инструменты могут предоставить изображение Вселенной, когда ей было меньше секунды.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review D.