Het universum kan worden overspoeld met een spinnenwebnetwerk van onzichtbare snaren

Wat als ik je zou vertellen dat ons universum werd overspoeld met honderden soorten bijna onzichtbare deeltjes en dat deze deeltjes lang geleden een netwerk van universum-overspannende snaren vormden?? 

Het klinkt zowel trippy als geweldig, maar het is eigenlijk een voorspelling van de snaartheorie, onze beste (maar frustrerend onvolledige) poging tot een theorie van alles. Deze bizarre, zij het hypothetische, kleine deeltjes staan ​​bekend als axions, en als ze kunnen worden gevonden, zou dat betekenen dat we allemaal in een enorm 'axiversum' leven.

Het beste deel van deze theorie is dat het niet zomaar een fauteuilhypothese van een fysicus is, zonder de mogelijkheid om te testen. Dit onbegrijpelijk enorme netwerk van snaren kan in de nabije toekomst worden gedetecteerd met microgolftelescopen die daadwerkelijk worden gebouwd. 

Verwant: De grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde

Als het gevonden zou worden, zou het axiversum ons een grote stap vooruit geven in het uitzoeken van de puzzel van ... nou ja, alle fysica.

Een symfonie van strijkers

Oké, laten we aan de slag gaan. Eerst moeten we het axion wat beter leren kennen. Het axion, genoemd door fysicus (en later Nobelprijswinnaar) Frank Wilczek in 1978, dankt zijn naam omdat het verondersteld wordt te bestaan ​​uit een bepaald soort symmetrie-breuk. Ik weet het, ik weet het - meer jargon. Hou vol. Natuurkundigen houden van symmetrieën - wanneer bepaalde patronen in de wiskunde voorkomen. 

Er is één soort symmetrie, de CP-symmetrie genaamd, die zegt dat materie en antimaterie zich hetzelfde zouden moeten gedragen als hun coördinaten worden omgekeerd. Maar deze symmetrie lijkt niet van nature te passen in de theorie van de sterke kernkracht. Een oplossing voor deze puzzel is om een ​​andere symmetrie in het universum te introduceren die dit wangedrag 'corrigeert'. Deze nieuwe symmetrie treedt echter alleen op bij extreem hoge energieën. Bij alledaagse lage energieën verdwijnt deze symmetrie, en om dat te verklaren, komt er een nieuw deeltje tevoorschijn - het axion.

Nu moeten we ons wenden tot de snaartheorie, wat onze poging is (en nu al 50 jaar onze belangrijkste poging is) om alle natuurkrachten, vooral de zwaartekracht, in één theoretisch kader te verenigen. Het is bewezen dat het een bijzonder netelig probleem is om op te lossen, vanwege een verscheidenheid aan factoren, niet de minste daarvan is dat, om de snaartheorie te laten werken (met andere woorden, om de wiskunde zelfs maar een hoop te laten hebben), onze het universum moet meer dan de gebruikelijke drie dimensies van ruimte en een van tijd hebben; er moeten extra ruimtelijke dimensies zijn.

Deze ruimtelijke dimensies zijn natuurlijk niet zichtbaar voor het blote oog; anders hadden we dat soort dingen opgemerkt. Dus de extra dimensies moeten piepklein zijn en op zichzelf opgerold op een schaal die zo klein is dat ze de normale pogingen om ze te herkennen ontwijken.

Wat dit moeilijk maakt, is dat we niet precies zeker weten hoe deze extra dimensies zichzelf opkrullen, en er zijn ergens ongeveer 10 ^ 200 mogelijke manieren om het te doen.

Maar wat deze dimensionale arrangementen gemeen lijken te hebben, is het bestaan ​​van axions, die, in de snaartheorie, deeltjes zijn die zich rond enkele van de opgerolde dimensies winden en vast komen te zitten..

Bovendien voorspelt de snaartheorie niet slechts één axion, maar mogelijk honderden verschillende soorten, met een verscheidenheid aan massa's, inclusief de axion die zou kunnen voorkomen in de theoretische voorspellingen van de sterke kernkracht..

Domme snaren

We hebben dus veel nieuwe soorten deeltjes met allerlei soorten massa. Super goed! Kunnen assen donkere materie vormen, die verantwoordelijk lijkt te zijn voor het grootste deel van hun massa aan melkwegstelsels, maar die niet door gewone telescopen kunnen worden gedetecteerd? Misschien; het is een open vraag. Maar axionen-als-donkere-materie moeten een aantal uitdagende observatietests ondergaan, dus sommige onderzoekers concentreren zich in plaats daarvan op het lichtere uiteinde van de axionfamilies en onderzoeken manieren om ze te vinden..

En wanneer die onderzoekers zich gaan verdiepen in het voorspelde gedrag van deze vedergewicht axions in het vroege universum, ontdekken ze iets echt opmerkelijks. In de vroegste momenten van de geschiedenis van onze kosmos maakte het universum faseovergangen door, waarbij het zijn hele karakter veranderde van exotische, hoogenergetische toestanden naar reguliere laagenergetische toestanden.. 

Tijdens een van deze faseovergangen (die plaatsvonden toen het universum minder dan een seconde oud was), verschenen de axions van de snaartheorie niet als deeltjes. In plaats daarvan leken ze op lussen en lijnen - een netwerk van lichtgewicht, bijna onzichtbare snaren die kriskras door de kosmos liepen.

Dit hypothetische axiversum, gevuld met een verscheidenheid aan lichtgewicht axion-snaren, wordt voorspeld door geen andere natuurkundige theorie dan de snaartheorie. Dus als we vaststellen dat we in een axiversum leven, zou dat een grote zegen zijn voor de snaartheorie. 

Een verschuiving in het licht

Hoe kunnen we naar deze axion-snaren zoeken? Modellen voorspellen dat axion-snaren een zeer lage massa hebben, zodat licht niet tegen een axion botst en buigt, of axions zouden zich waarschijnlijk niet vermengen met andere deeltjes. Er zouden nu miljoenen axion-snaren door de Melkweg kunnen zweven, en we zouden ze niet zien.

Maar het universum is oud en groot, en we kunnen dat in ons voordeel gebruiken, vooral als we erkennen dat het universum ook van achteren verlicht is.

De kosmische microgolfachtergrond (CMB) is het oudste licht in het universum, uitgezonden toen het nog een baby was - ongeveer 380.000 jaar oud. Dit licht heeft het universum al die miljarden jaren gedrenkt en door de kosmos gefilterd totdat het uiteindelijk iets raakt, zoals onze microgolftelescopen. 

Dus als we naar de CMB kijken, zien we het door miljarden lichtjaren aan heelal. Het is alsof je door een reeks spinnenwebben naar de gloed van een zaklamp kijkt: als er een netwerk van axion-snaren door de kosmos is geregen, kunnen we ze mogelijk zien.

In een recente studie, gepubliceerd in de arXiv-database op 5 december, berekende een drietal onderzoekers het effect dat een axiversum zou hebben op CMB-licht. Ze ontdekten dat, afhankelijk van hoe een beetje licht in de buurt van een bepaalde axionstreng passeert, de polarisatie van dat licht kan verschuiven. Dat komt omdat het CMB-licht (en al het licht) is gemaakt van golven van elektrische en magnetische velden, en de polarisatie van licht vertelt ons hoe de elektrische velden zijn georiënteerd - iets dat verandert wanneer het CMB-licht een axion ontmoet. We kunnen de polarisatie van het CMB-licht meten door het signaal door gespecialiseerde filters te laten gaan, waardoor we dit effect kunnen oppikken. 

De onderzoekers ontdekten dat het totale effect op de CMB van een universum vol snaren een verschuiving in polarisatie van ongeveer 1% veroorzaakte, wat precies op de rand staat van wat we vandaag kunnen detecteren. Maar toekomstige CMB-mappers, zoals de Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) -satelliet voor de studies van B-mode polarisatie en Inflation from cosmic background Radiation Detection (LiteBIRD), en de Primordial Inflation Explorer (PIXIE), worden momenteel ontworpen. Deze futuristische telescopen zouden een axiversum kunnen opsporen. En zodra die mappers online komen, zullen we ofwel ontdekken dat we in een axiversum leven of deze specifieke voorspelling van de snaartheorie uitsluiten.

Hoe dan ook, er is veel te ontwarren.

Paul M.Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een ruimteman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het heelal.

• Van oerknal tot heden: momentopnames van ons universum door de tijd
• De 11 grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie
• 5 ongrijpbare deeltjes voorbij de Higgs

Oorspronkelijk gepubliceerd op .