אחת החידות הגדולות ביותר עבור חוקרים ומדענים היא היווצרותו של היקום. לאחרונה, הארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN) שואף לגלות חלקיק חדש המכונה אקסיון, אשר יכול, לראשונה, לספק מידע על אירועים שהתרחשו ביקום שנייה אחת בלבד לאחר המפץ הגדול.
במאמר זה אנו הולכים לספר לך את כל מה שאתה צריך לדעת על axion, החלקיק שיכול להסביר את המפץ הגדול.
אקסיונים וחומר אפל
האקסיון, שהוצע לראשונה בשנות ה-1970 על ידי הפיזיקאי רוברטו פצ'י יחד עם עמיתו הלן קווין, הוא חלקיק אלמנטרי הנובע ממסגרת תיאורטית שנועדה לטפל בשאלה בתוך כרומודינמיקה קוונטית (QCD), התיאוריה המתארת את יחסי הגומלין בין קווארקים וגלואונים. . שאלה זו שייכת ל"בעיית שימור הזוגיות", מה שמצביע על כך שמאפיינים ספציפיים חייבים להישאר ללא שינוי על ידי אינטראקציות גרעיניות. הכנסת האקסיון משמש כמנגנון לשיקום הסימטריה הזו.
בין המאפיינים הבולטים של האקסיון הוא הפונקציה הפוטנציאלית שלו כמרכיב של חומר אפל, המייצג כ-27% מהמסה הכוללת של היקום. החומר האפל אינו פולט אור או רדיואקטיביות, מה שהופך אותו לבלתי נראה וניתן לצפייה רק באמצעות השפעתו הכבידה. אם יוכחו כקיימים צירים, הם עשויים להיות בשפע ברחבי היקום, מה שמציע הצדקה לטבעו החמקמק של החומר האפל כחלקיקים קלים במיוחד וקשים לזיהוי.
המפץ הגדול וחלקיקים אקסיוניים
הפיצוץ הקדמון המכונה המפץ הגדול, שהחל את היווצרותו של היקום, הוא אירוע שנבחן על ידי מודלים ותיאוריות קוסמולוגיות רבות. מאמינים שמיד לאחר המפץ הגדול הופיעו מגוון רחב של חלקיקים וקרינה. אם קיימות אקסיות, ייתכן שהן נוצרו במספרים ניכרים בשלב מוקדם זה, ומשחקות תפקיד בהתפתחות היקום.
מחקר אקסיון חשוב לא רק עבור החומר האפל, אלא גם כדי לשפר את הבנתנו את היקום בשלבי היווצרותו. מכיוון שהמפץ הגדול יצר מגוון רחב של חלקיקים, קיומם האפשרי של אקסונים יכול לספק מידע על הארגון ההיסטורי של החומר והאנרגיה.
איזה מידע יש לנו על ההיסטוריה של היקום?
כיום, ניתוח הספקטרום האלקטרומגנטי של רקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) אפשר למדענים להתחקות אחורה כמעט 14 מיליארד שנים לזמן שבו היקום התקרר מספיק כדי שהפרוטונים והאלקטרונים יתחברו בפעם הראשונה הביא להיווצרות מימן ניטרלי.
הפוטונים שזוהו בתצפיות ברקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) נפלטו 400.000 שנים לאחר המפץ הגדול, מה שמקשה מאוד לקבוע את ההיסטוריה של היקום לפני הזמן הזה.
עם זאת, שלישיית חוקרים בריטים הציעו תיאוריה המציינת את קיומו האפשרי של חלקיק המכונה אקסיון, אשר זה יכול היה להיפלט במהלך השנייה הראשונית של ההיסטוריה של היקום. למרות שחלקיק זה נותר היפותטי, ישנן סיבות רבות להאמין שהאקסיון אכן יכול להתקיים בתוך היקום.
מה זה בעצם אקסיון?
אקסונים הם חלקיקי יסוד תיאורטיים, שלמרות שהם עדיין היפותטיים, יכולים לפתור שאלות מורכבות מסוימות בתוך תיאוריות חלקיקים עכשוויות.
הנוכחות של האקסיון תעזור לטפל בנושא של סימטריית CP חזקה, הנוגעת לאיזון בין חומר לאנטי חומר. למעשה, הוא עשוי לספק הסבר טבעי לדמיון הבולט בתכונות החומר והאנטי-חומר, תוך מתן מידע על הדומיננטיות של החומר על האנטי-חומר ביקום.
Axions יכול לספק מידע על המסתורי "חומר אפל", אשר מהווה 23% מהיקום. מחקרים מצביעים על כך שחלקיקים אלה מייצגים את אחד המועמדים המבטיחים ביותר לתרום לחומר הבלתי נראה, או החומר האפל, שהופיע זמן קצר לאחר המפץ הגדול.
האקסיון ותפקידו בהקשר של חומר אפל
בהתחשב באפשרות שחומר אפל עשוי להיות מורכב מאקסיונים שנוצרו בכמויות גדולות לאחר המפץ הגדול, החוקרים עובדים במרץ כדי לזהות חומר אפל אקסיוני בהקדם האפשרי.
מאמר שפורסם ב-Physical Review D מציע כי התקדמות של מכשירים רגישים יותר שמטרתם לזהות חומר אפל עלולה להוביל בשוגג לגילוי אינדיקטור נוסף של אקסיות, המכונה CaB. מונח זה מציין אקסיון המקביל לרקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) ונקרא רקע הציר הקוסמי. עם זאת, בשל קווי דמיון במאפיינים בין CaB ואקסיוני חומר אפל, קיים סיכון שאות ה-Cab יכול להיסגר כרעש בהגדרות ניסוי.
עבור מדענים, הזיהוי של CaB ייצג תגלית כפולה. לא רק שזה יאשר את קיומו של האקסיון, אלא הוא גם יציע שריד חדש של היקום המוקדם לקהילה המדעית. השיטה שבה נוצר CaB יכולה לחשוף היבטים לא ידועים עד כה לגבי היווצרותו והתפתחותו של היקום.
שיטות לזיהוי אקסיון
הניסויים שבוצעו על ידי CERN נועדו לגלות את האקסיון. ניסוי שנועד לזהות את חלקיק האקסיון כולל שימוש בחללי מיקרוגל תהודה, אשר מכוילים למסת האקסיון, הממוקמים בתוך שדות מגנטיים חזקים. מתודולוגיה זו משמשת כיום בניסוי ADMX באוניברסיטת וושינגטון ו יש פוטנציאל לזהות את האקסיון, במקרה שחומר אפל מורכב כולו מאקסיונים.
שיטה נוספת לגילוי צירים כוללת שימוש בהליוסקופים, שתוכננו במיוחד לזיהוי צירים שנוצרו בתוך השמש. הדבר מושג על ידי שימוש במגנט רב עוצמה בשילוב עם גלאי רנטגן בעלי רקע נמוך במיוחד. אף על פי שלא נמצאו עדויות לאקסיונים עד כה, ניסוי CAST, הכולל תרומות של חוקרים מאוניברסיטת סרגוסה, התגבר על מגבלות אסטרופיזיות ופתח אזור שלא נחקר בעבר לחקירה.
