Eines der größten Rätsel für Forscher und Wissenschaftler ist die Entstehung des Universums. Vor kurzem hat die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) versucht, ein neues Teilchen namens Axion zu entdecken, das erstmals Informationen über Ereignisse liefern kann, die sich nur eine Sekunde nach dem Urknall im Universum ereigneten.
In diesem Artikel erzählen wir Ihnen alles, was Sie darüber wissen müssen Axion, das Teilchen, das den Urknall erklären könnte.
Axionen und dunkle Materie
Das Axion wurde ursprünglich in den 1970er Jahren vom Physiker Roberto Peccei zusammen mit seiner Kollegin Helen Quinn vorgeschlagen und ist ein Elementarteilchen, das aus einem theoretischen Rahmen hervorgeht, der eine Frage innerhalb der Quantenchromodynamik (QCD) beantworten soll, der Theorie, die die Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen beschreibt . Diese Frage gehört zum „Paritätserhaltungsproblem“, das besagt, dass bestimmte Eigenschaften durch nukleare Wechselwirkungen unverändert bleiben müssen. Die Einführung des Axions dient als Mechanismus zur Wiederherstellung dieser Symmetrie.
Zu den bemerkenswertesten Eigenschaften des Axions gehört seine potenzielle Funktion als Bestandteil von Dunkle Materie, die etwa 27 % der Gesamtmasse des Universums ausmacht. Dunkle Materie strahlt weder Licht noch Radioaktivität aus und ist daher unsichtbar und nur durch ihren Gravitationseinfluss beobachtbar. Wenn nachgewiesen werden sollte, dass Axionen existieren, könnten sie im gesamten Universum in großer Zahl vorkommen, was eine Rechtfertigung für die schwer fassbare Natur der Dunklen Materie als extrem leichte und schwer nachzuweisende Teilchen liefern würde.
Der Urknall und axionische Teilchen
Die als Urknall bekannte Urexplosion, mit der die Entstehung des Universums begann, ist ein Ereignis, das von zahlreichen kosmologischen Modellen und Theorien untersucht wird. Es wird angenommen, dass unmittelbar nach dem Urknall eine Vielzahl von Teilchen und Strahlung entstanden sind. Wenn Axionen existieren, könnten sie in dieser frühen Phase in beträchtlicher Zahl erzeugt worden sein und eine Rolle bei der Entwicklung des Universums gespielt haben.
Axionforschung ist wichtig nicht nur für dunkle Materie, sondern auch, um unser Verständnis des Universums in seinen Entstehungsstadien zu verbessern. Da beim Urknall eine große Vielfalt an Teilchen entstanden ist, kann die mögliche Existenz von Axionen Aufschluss über die historische Organisation von Materie und Energie geben.
Welche Informationen haben wir über die Geschichte des Universums?
Heute hat die Analyse des elektromagnetischen Spektrums des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) es Wissenschaftlern ermöglicht, fast 14 Milliarden Jahre bis zu der Zeit zurückzuverfolgen, als das Universum zum ersten Mal so weit abgekühlt war, dass sich Protonen und Elektronen verbinden konnten führte zur Bildung von neutralem Wasserstoff.
Die bei den Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) entdeckten Photonen wurden 400.000 Jahre nach dem Urknall emittiert, was es äußerst schwierig macht, die Geschichte des Universums vor diesem Zeitpunkt zu bestimmen.
Ein Trio britischer Forscher hat jedoch eine Theorie vorgeschlagen, die auf die mögliche Existenz eines als Axion bekannten Teilchens hinweist Es könnte in der ersten Sekunde der Geschichte des Universums emittiert worden sein. Obwohl dieses Teilchen hypothetisch bleibt, gibt es zahlreiche Gründe zu der Annahme, dass das Axion tatsächlich im Universum existieren könnte.
Was genau ist ein Axion?
Axionen sind theoretische Grundteilchen, die, obwohl sie noch hypothetisch sind, bestimmte komplexe Fragen innerhalb zeitgenössischer Teilchentheorien lösen können.
Das Vorhandensein des Axions würde dazu beitragen, das Problem der starken CP-Symmetrie zu lösen, die das Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie betrifft. Tatsächlich könnte es eine natürliche Erklärung für die auffallenden Ähnlichkeiten in den Eigenschaften von Materie und Antimaterie liefern. und bietet gleichzeitig Informationen über die Vorherrschaft der Materie gegenüber der Antimaterie im Universum.
Axionen können Informationen über die mysteriöse „Dunkle Materie“ liefern macht 23 % des Universums aus. Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese Teilchen einen der vielversprechendsten Kandidaten für einen Beitrag zur unsichtbaren Materie, der Dunklen Materie, darstellen, die kurz nach dem Urknall entstand.
Das Axion und seine Rolle im Kontext der Dunklen Materie
Angesichts der Möglichkeit, dass Dunkle Materie aus Axionen bestehen könnte, die nach dem Urknall in großen Mengen erzeugt wurden, arbeiten Forscher intensiv daran, axionische Dunkle Materie so schnell wie möglich zu identifizieren.
Ein in Physical Review D veröffentlichter Artikel legt nahe, dass die Weiterentwicklung empfindlicherer Instrumente zur Erkennung dunkler Materie unbeabsichtigt zur Entdeckung eines weiteren Indikators für Axionen führen könnte: bekannt als CaB. Dieser Begriff bezeichnet ein Axion, das dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) analog ist und als kosmischer Axionhintergrund bezeichnet wird. Aufgrund der Ähnlichkeit der Eigenschaften zwischen CaB und Axionen aus dunkler Materie besteht jedoch die Gefahr, dass das CaB-Signal in experimentellen Umgebungen als Rauschen abgetan werden könnte.
Für Wissenschaftler Die Identifizierung von CaB würde eine doppelte Entdeckung darstellen. Dies würde nicht nur die Existenz des Axions bestätigen, sondern der wissenschaftlichen Gemeinschaft auch ein neues Relikt des frühen Universums bieten. Die Methode, mit der CaB erzeugt wurde, könnte bisher unbekannte Aspekte der Entstehung und Entwicklung des Universums enthüllen.
Methoden zum Nachweis eines Axions
Die vom CERN durchgeführten Experimente zielten auf den Nachweis des Axions ab. Ein Experiment zur Identifizierung des Axionteilchens umfasst die Verwendung resonanter Mikrowellenhohlräume, die auf die Masse des Axions kalibriert sind und in starken Magnetfeldern platziert sind. Diese Methodik wird derzeit im ADMX-Experiment an der University of Washington verwendet hat das Potenzial, das Axion zu erkennen, falls dunkle Materie ausschließlich aus Axionen besteht.
Eine weitere Methode zur Erkennung von Axionen umfasst die Verwendung von Helioskopen, die speziell zur Identifizierung von in der Sonne erzeugten Axionen entwickelt wurden. Dies wird durch den Einsatz eines leistungsstarken Magneten in Kombination mit Röntgendetektoren mit außergewöhnlich niedrigem Hintergrund erreicht. Während bisher keine Hinweise auf Axionen gefunden wurden, hat das CAST-Experiment, an dem Forscher der Universität Saragossa beteiligt waren, astrophysikalische Einschränkungen überwunden und eine bisher unerforschte Region für die Erforschung geöffnet.