En ny studie, genomfördes för att bättre förstå universums ursprung, har gett insikt i några av de mest bestående frågorna inom grundläggande fysik:Hur kan standardmodellen för partikelfysik förlängas för att förklara det kosmologiska överskottet av materia över antimateria? Vad är mörk materia? Och vad är det teoretiska ursprunget till en oväntad men observerad symmetri i kraften som binder protoner och neutroner samman?

I uppsatsen "Axiogenesis, "planeras publiceras i Fysiska granskningsbrev den 17 mars, 2020, forskare Keisuke Harigaya, Medlem i Naturvetenskapliga skolan vid Institute for Advanced Study, och Raymond T. Co vid University of Michigan, har presenterat ett övertygande fall där kvantkromodynamik (QCD) axion, teoretiserades först 1977, ger flera viktiga svar på dessa frågor.

"Vi avslöjade att rotationen av QCD -axionen kan stå för överskottet av materia som finns i universum, "sade Harigaya." Vi kallade denna mekanism för axiogenes. "

Oändligt lätt, QCD-axionen-minst en miljard gånger lättare än en proton-är nästan spöklik. Miljoner av dessa partiklar passerar genom vanligt material varje sekund utan förvarning. Dock, QCD -axionens interaktion på subatomär nivå kan fortfarande lämna detekterbara signaler i experiment med känslor utan motstycke. Även om QCD -axionen aldrig har detekterats direkt, denna studie ger extra bränsle för experimentalister att jaga den svårfångade partikeln.

"Mångsidigheten hos QCD -axionen för att lösa mysterierna i grundläggande fysik är verkligen fantastisk, "uppgav Co." Vi är glada över de outforskade teoretiska möjligheterna som denna nya aspekt av QCD -axionen kan ge. Mer viktigt, experiment kan snart berätta om naturens mysterier verkligen antyder QCD -axionen. "

Harigaya och Co har resonerat att QCD -axionen kan fylla tre saknade bitar av fysikpusslet samtidigt. Först, QCD-axionen föreslogs ursprungligen för att förklara det så kallade starka CP-problemet-varför den starka kraften, som binder protoner och neutroner samman, bevarar oväntat en symmetri som kallas Charge Parity (CP) symmetri. CP -symmetrin härrör från observationen att en neutron inte reagerar med ett elektriskt fält trots dess laddade beståndsdelar. Andra, QCD -axionen befanns vara en bra kandidat för mörk materia, erbjuder det som kan vara ett stort genombrott för att förstå sammansättningen av cirka 80 procent av universums massa som aldrig har observerats direkt. I deras arbete med det tidiga universum, Harigaya och Co har fastställt att QCD-axionen också kan förklara asymmetriproblemet med materia-antimateria.

När materia och antimateriepartiklar interagerar, de förintas ömsesidigt. I den första bråkdelen av en sekund efter Big Bang, materia och antimateria fanns i lika stora mängder. Denna symmetri förhindrade övervägande av en typ av materia över den andra. I dag, universum är fyllt med materia, indikerar att denna symmetri måste ha brutits. Harigaya och Co nämner QCD -axionen som den skyldige. Rörelseenergi, till följd av QCD -axionens rörelse, producerade ytterligare baryoner eller vanligt material. Denna lilla tippning av skalan till förmån för materia skulle ha haft en uttalad kaskadeffekt, banar väg för universum som det är känt idag.

Större förståelse för den nyupptäckta dynamiken i QCD -axionen kan potentiellt förändra universums expansionshistoria och därmed informera studiet av gravitationella vågor. Framtida arbete med detta ämne kan också ge ytterligare insikt i andra bestående frågor om grundläggande fysik, såsom ursprunget för den lilla neutrino massan.

"Eftersom teoretiska och experimentella partikelfysiker, astrofysiker, och kosmologer började studera QCD -axionen, stora framsteg har gjorts. Vi hoppas att vårt arbete främjar dessa tvärvetenskapliga forskningsinsatser ytterligare, "tillade Harigaya.