Variationen i formen av CaB som funktion av energi och densitet kan ses för fyra olika scenarier för dess produktion. Att hitta någon av dessa skulle hjälpa till att svara på de grundläggande frågorna som anges. Kredit:Dror et al.
Att hitta den hypotetiska partikelaxionen kan innebära att man för första gången tar reda på vad som hände i universum en sekund efter Big Bang, föreslår en ny studie publicerad i Fysisk granskning D den 7 juni.
Hur långt tillbaka i universums förflutna kan vi se idag? I det elektromagnetiska spektrumet, observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden – vanligen kallad CMB – gör att vi kan se tillbaka nästan 14 miljarder år till när universum svalnade tillräckligt för att protoner och elektroner skulle kombineras och bilda neutralt väte. CMB har lärt oss oerhört mycket om evolutionen av kosmos, men fotoner i CMB släpptes 400, 000 år efter Big Bang vilket gör det extremt utmanande att lära sig om universums historia före denna epok.
För att öppna ett nytt fönster, en trio av teoretiska forskare, inklusive Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) huvudforskare, University of California, Berkeley, MacAdams professor i fysik och Lawrence Berkeley National Laboratory senior fakultetsforskare Hitoshi Murayama, Lawrence Berkeley National Laboratory fysikforskare och University of California, Berkeley, postdoktor Jeff Dror (nu vid University of California, Santa Cruz), och UC Berkeley Miller forskningsstipendiat Nicholas Rodd, såg bortom fotoner, och in i riket av hypotetiska partiklar som kallas axioner, som kan ha sänts ut under den första sekunden av universums historia.
I deras tidning, de föreslår möjligheten att söka efter en axionanalog till CMB, en så kallad Cosmic axion Background eller CaB.
Även om det är hypotetiskt, det finns många skäl att misstänka att axionen kan existera i vårt universum.
För en, axioner är en generisk förutsägelse av strängteori, ett av dagens bästa hopp för en teori om kvantgravitation. Förekomsten av en axion kan ytterligare hjälpa till att lösa det långvariga pusslet om varför vi ännu inte har mätt ett elektriskt dipolmoment för neutronen, ett problem mer formellt känt som "Strong CP Problem". På senare tid, axionen har blivit en lovande kandidat för mörk materia, och som en följd av detta söker forskare snabbt efter axion mörk materia.
I deras tidning, forskarna påpekar att när experimentalister utvecklar känsligare instrument för att söka efter mörk materia, de kan snubbla på ett annat tecken på axioner i form av CaB. Men eftersom CaB delar liknande egenskaper med axioner av mörk materia, det finns en risk att experimenten skulle kasta ut CaB-signalen som brus.
Att hitta CaB vid ett av dessa instrument skulle vara en dubbel upptäckt. Inte bara skulle det bekräfta existensen av axionen, men forskare över hela världen skulle omedelbart ha ett nytt fossil från det tidiga universum. Beroende på hur CaB tillverkades, forskare kunde lära sig om olika aspekter av universums utveckling som aldrig tidigare varit möjliga (Figur).
"Det vi har föreslagit är att genom att ändra hur nuvarande experiment analyserar data, vi kanske kan söka efter överblivna axioner från det tidiga universum. Sedan, vi kanske kan lära oss om ursprunget till mörk materia, fasövergång eller inflation i början av universum. Det finns redan experimentgrupper som har visat intresse för vårt förslag, och jag hoppas att vi kan ta reda på något nytt om det tidiga universum som inte var känt tidigare, säger Murayama.
"Universums utveckling kan producera axioner med en karakteristisk energifördelning. Genom att detektera energitätheten i universum som för närvarande består av axioner, experiment som MADMAX, HAYSTAC, ADMX, och DMRadio skulle kunna ge oss svar på några av de viktigaste pusslen inom kosmologi, Till exempel, "Hur varmt blev vårt universum? Vad är mörk materias natur? Genomgick vårt universum en period av snabb expansion som kallas inflation? Fanns det någonsin en kosmisk fasövergång?" säger Dror.
Den nya studien ger anledning att vara exalterad över programmet Axion mörkmateria. Även om mörk materia inte är gjord av axioner, dessa instrument kan ge en bild av universum när det var mindre än en sekund gammalt.
Denna studie accepterades som ett "Redaktörsförslag" i tidskriften Fysisk granskning D .
