Karanlık Maddeyi Çözmek: Axions Neden Evrenimizin En Büyük Gizemini Çözebilir?

Fizik bilmecelerle dolu ve bir anlamda, bu alanı devam ettiren şey bu. Bunlar akıllara durgunluk veren bulmacalar gerçeğe doğru bir yarışı teşvik etmek. Ancak tüm ikilemler içinde ikisinin tartışmasız A önceliğine girdiğini söyleyebilirim.

İlk olarak, bilim adamları gökyüzüne baktıklarında, sürekli olarak gezegenimizden ve birbirlerinden her yönde daha uzağa seyahat eden yıldızları ve galaksileri görürler. Evren patlayan bir balon gibi görünüyor, bu yüzden genişlediğini öğrendik. Ama bir şey mantıklı değil.

Uzayın içinde – yıldızlar, parçacıklar, gezegenler ve diğer her şey – bu kadar hızlı şişmesine yetecek kadar yüzen madde yok gibi görünüyor. Başka bir deyişle, evren fiziğimizin söylediğinden çok daha hızlı genişliyor ve hatta hız almak bunu okurken. Bu da bizi ikinci soruna getiriyor.

Uzmanların en iyi hesaplamalarına göre, galaksiler o kadar inanılmaz bir hızla dönüyorlar ki, her şey etrafında hızla dönüyor ve spirallerin hareket etmesini bekleyebiliriz. kontrolden çıkmış atlı karıncalar gibi metal atları arabadan fırlatmak. Evrende onları birbirine bağlayacak yeterli şey yok gibi görünüyor. Yine de Samanyolu dağılmıyor.

Yani, ne oluyor?

Genel terimler olarak, fizikçiler, kozmosu karanlık enerjiye doğru iten “eksik” şeyleri ve galaksileri bir arada tutan parçaları – muhtemelen hale benzeri bir biçimde – karanlık madde olarak adlandırırlar. Ne ışıkla ne de görebildiğimiz maddeyle etkileşime girmez, bu nedenle esasen görünmezdirler. Birleşik, karanlık madde ve karanlık enerji bir kuyruk oluşturuyor evrenin %95’i.

Yakın zamanda yapılan bir incelemenin yazarları, karanlık madde kısmına odaklanarak, Science Advances dergisinde yayınlanan“bir veya daha fazla temel parçacık türünden oluşabilir … ancak bir kısmı veya tamamı kara delikler gibi bazı görünmez madde formlarının makroskopik topaklarından oluşabilir” diye yazın.

Kara delikler ya da değil, karanlık madde tamamen anlaşılmaz. Sırlarını çözmek için bilim adamları, kozmik diziden bir avuç şüpheli seçtiler ve en çok aranan parçacıklardan biri, axion adı verilen garip bir küçük nokta.

Eksenlerin geniş gözlü hipotezi

duymuş olabilirsin Standart Modelneredeyse kutsal kase, parçacık fiziğinin sürekli güçlenen el kitabı. Nasıl olduğunu özetliyor her bekar evrendeki parçacık çalışır.

Bununla birlikte, Science Advances incelemesinin işaret ettiği gibi, bazı “parçacık fizikçileri, Standart Model’den huzursuz ve memnun değil, çünkü birçok teorik eksikliğe sahip ve birçok acil deneysel soruyu cevapsız bırakıyor.” Daha spesifik olarak, bizim için, tam olarak bilinen bir bilimsel kavramla ilgili bir paradoksa yol açar. CPT değişmezliği. Aha, fizik bulmacaları devam ediyor.

Temel olarak CPT değişmezliği, C (yük), P (parite) ve T (zaman) söz konusu olduğunda evrenin simetrik olması gerektiğini belirtir. Bu nedenle CPT simetrisi olarak da adlandırılır. Her şeyin zıt yükü olsaydı, sağ elini kullanmak yerine solak olsaydı ve zamanda ileri yerine geriye doğru seyahat etseydi, evrenin aynı kalması gerektiğini belirtir.

Uzun bir süre için, CPT simetrisi kırılmaz görünüyordu. Sonra 1956 geldi.

Uzun lafın kısası, bilim adamları öyle bir şey buldular ki CPT simetrisinin P bölümünü ihlal ediyor. Buna zayıf kuvvet denir ve nötrino çarpışmaları ve güneşteki element füzyonu gibi şeyleri belirler. Herkes şaşırdı, şaşırdı ve korktu.

Fiziğin neredeyse her temel kavramı CPT simetrisine dayanır.

Yaklaşık on yıl sonra, araştırmacılar C simetrisini de ihlal eden zayıf kuvveti keşfettiler. İşler darmadağın oluyordu. Fizikçiler, P ihlal edilse bile… ve CP ihlal edilse bile… belki de CPT’nin hala ihlal edilmediğini umabilir ve dua edebilirler. Belki zayıf güçler, CPT simetrisini korumak için üçlüye ihtiyaç duyar. Neyse ki, bu teori doğru görünüyor. Bilinmeyen bir nedenle, zayıf kuvvet, C ve CP çarpmalarına rağmen toplam CPT simetrisini takip ediyor. Vay canına.

Ama sorun şu. Zayıf kuvvetler CP simetrisini ihlal ederse, güçlü kuvvetlerin de ihlal etmesini beklersiniz, değil mi? Eh, bilmiyorlar ve fizikçiler nedenini bilmiyorlar. buna denir güçlü CP sorunu — ve tam olarak işlerin ilginçleştiği yer.

Nötronlar – atomların içindeki yüksüz parçacıklar – güçlü kuvvete uyarlar. Ayrıca, basitleştirmeye izin vererek, onların nötr yükü T simetrisini ihlal ettikleri anlamına gelir. Ve “T simetrisini ihlal eden bir şey bulursak, o zaman CP simetrisini de, CPT kombinasyonu ihlal edilmeyecek şekilde ihlal etmelidir” diyor makale. Ama… bu garip. Nötronlar, güçlü CP sorunu nedeniyle olmaz.

Ve böylece axion fikri doğdu.

Yıllar önce fizikçiler Roberto Peccei ve Helen Quinn Standart Modele yeni bir boyut eklenmesini önerdi. Güçlü CP problemini açıklayan ve böylece nötronların koşullarını gevşeten, ultra hafif parçacıklardan oluşan bir alan — aksiyonlar — içeriyordu. Gazete, Axions’ın her şeyi o kadar iyi düzelttiğini ortaya koydu ki ikilinin fikri “güçlü CP sorununa en popüler çözüm” haline geldi. Bu bir mucizeydi.

Açık olmak gerekirse, aksiyonlar hala varsayımsaldır, ancak az önce ne olduğunu düşünün. Fizikçiler, Standart Model’e parçacıkların ana hatlarını çizen yeni bir parçacık eklediler. tüm evren. Diğer her şey için bu ne anlama gelebilir?

Karanlık maddenin anahtarı mı?

Peccei-Quinn teorisine göre, eksenler “soğuk” veya uzayda çok yavaş hareket ederdi. Ve… çalışma araştırmacıları “varlığı [dark matter] yerçekimi etkilerinden çıkarılıyor ve astrofiziksel gözlemler ‘soğuk’ olduğunu gösteriyor.”

Makale ayrıca, “ne kadar güçlü olduğuna dair deneysel üst sınırlar var” diyor. [the axion] görünür madde ile etkileşime girer.”

Dolayısıyla, temel olarak, güçlü CP problemini açıklamaya yardımcı olan eksenler, karanlık maddeninkilerle uyumlu teorik özelliklere de sahip görünüyor. Son derece iyi.

Daha çok CERN olarak bilinen ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nı yöneten ve antimadde çalışmaları için sorumluluk üstlenen Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi, “aksyonların en düşündürücü özelliklerinden birinin, doğal bir şekilde, olabildiklerinin” altını çiziyor. Büyük Patlama’dan hemen sonra çok sayıda üretildi. Bu eksen popülasyonu bugün hala mevcut olacak ve evrenin karanlık maddesini oluşturabilecekti.”

İşte gidiyorsun. eksenler arasında fizikteki en sıcak konu çünkü çok açıklıyorlar. Ancak bir kez daha, aranan parçalar hala varsayımsaldır.

Hiç eksenler bulacak mıyız?

Oldu Bilim adamlarının eksenler için avlanmaya başlamasından 40 yıl sonra.

Yazarlar, bu araştırmaların çoğunun “esas olarak elektromanyetik alanlarla eylem alanı etkileşiminden yararlandığını” söylüyor. Science Advances’te yayınlandı.

Örneğin CERN, güneşin çekirdeğinde üretilen parçacıkların bir ipucunu bulmak için yapılmış bir makine olan Axion Arama Teleskobu’nu geliştirdi. Yıldızımızın içinde, eksenlerle potansiyel olarak etkileşime girebilecek güçlü elektrik alanları var – eğer gerçekten oradalarsa.

Ancak görev şu ana kadar birkaç büyük zorlukla karşılaştı. Birincisi, yazarlar “parçacık kütlesi teorik olarak tahmin edilemez” diye yazıyor – yani, bir aksiyonun nasıl görünebileceği hakkında çok az fikrimiz var.

Şu anda, bilim adamları çok geniş bir kitle yelpazesini varsayarak hala onları arıyorlar. Ancak son zamanlarda araştırmacılar, parçacığın muhtemelen 40 ila 180 mikroelektron volt arasında olduğuna dair kanıtlar sundular. Bu düşünülemeyecek kadar küçük, yaklaşık Bir elektronun kütlesinin milyarda biri.

“Ayrıca,” diye yazıyor ekip, “aksyon sinyalinin çok dar olması bekleniyor … ve Standart Model parçacıklarına ve alanlarına çok zayıf bağlanma nedeniyle son derece zayıf.” Özünde, ufacık eksenler varlıklarını bize bildirmek için ellerinden gelenin en iyisini yapsalar bile onları gözden kaçırabiliriz. İpuçları o kadar zayıf olabilir ki zar zor fark ederiz.

Bu engellere rağmen, axion araması devam ediyor. Çoğu bilim insanı, onların dışarıda bir yerde olması gerektiğini iddia ediyor, ancak karanlık maddeyi tam olarak açıklamaya gelince, gerçek olamayacak kadar iyi görünüyorlar.

Çalışma yazarları, “deneysel girişimlerin çoğu, eksenlerin karanlık madde halesinin %100’ünü oluşturduğunu varsayıyor” diyerek, belki de “böyle bir varsayıma dayanmadan eksen fiziğine bakmanın” bir yolu olduğunu öne sürüyorlar.

Gösterinin yıldızı olsalar da, ya eksenler karanlık madde tarihinin sadece bir bölümüyse?