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-omvattende snaren vormden?
Het klinkt zowel trippy als geweldig, maar het is eigenlijk een voorspelling van de snaartheorie, onze beste (maar frustrerend onvolledige) poging om een theorie van alles te maken. Deze bizarre, zij het hypothetische, kleine deeltjes staan bekend als axions, en als ze gevonden kunnen worden, zou dat betekenen dat we allemaal in een enorm 'axiversum' leven.
Het beste van deze theorie is dat het niet zomaar een hypothese van een natuurkundige fauteuil is, zonder de mogelijkheid om te testen. Dit onbegrijpelijk enorme netwerk van snaren kan in de nabije toekomst mogelijk worden gedetecteerd met daadwerkelijk gebouwde microgolftelescopen.
Als het wordt gevonden, zou het axiversum ons een grote stap voorwaarts geven bij het uitzoeken van de puzzel van ... wel, de hele natuurkunde.
Een symfonie van strijkers
Ok, laten we aan de slag gaan. Eerst moeten we de axion wat beter leren kennen. Het axion, genoemd door natuurkundige (en later Nobelprijswinnaar) Frank Wilczek in 1978, dankt zijn naam omdat wordt verondersteld te bestaan uit een bepaald soort symmetriebreking. 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, die zegt dat materie en antimaterie zich hetzelfde moeten gedragen wanneer hun coördinaten worden omgekeerd. Maar deze symmetrie lijkt niet van nature in de theorie van de sterke atoomkracht te passen. Een oplossing voor deze puzzel is het introduceren van een andere symmetrie in het universum die dit wangedrag 'corrigeert'. Deze nieuwe symmetrie komt echter alleen voor bij extreem hoge energieën. Bij alledaagse lage energieën verdwijnt deze symmetrie, en om dat te verklaren, en komt er een nieuw deeltje tevoorschijn - de axion.
Nu moeten we ons wenden tot de snaartheorie, wat onze poging is (en al 50 jaar onze belangrijkste poging is) om alle natuurkrachten, met name de zwaartekracht, te verenigen in één enkel theoretisch kader. Het is een bijzonder netelig probleem gebleken om op te lossen, vanwege een verscheidenheid aan factoren, niet in de laatste plaats dat, om snaartheorie te laten werken (met andere woorden, voor de wiskunde zelfs een hoop uit te werken), onze universum moet meer dan de gebruikelijke drie dimensies van ruimte en één van tijd hebben; er moeten extra ruimtelijke afmetingen zijn.
Deze ruimtelijke afmetingen zijn natuurlijk niet zichtbaar voor het blote oog; anders hadden we dat soort dingen opgemerkt. De extra afmetingen moeten dus piepklein zijn en op zichzelf opkrullen op schalen die zo klein zijn dat ze de normale pogingen om ze te herkennen omzeilen.
Wat dit moeilijk maakt, is dat we niet precies weten hoe deze extra dimensies zich opkrullen, en er zijn ongeveer 10 ^ 200 mogelijke manieren om het te doen.
Maar wat deze dimensionale arrangementen gemeen lijken te hebben, is het bestaan van axionen, die in de snaartheorie deeltjes zijn die zichzelf rond enkele van de opgerolde dimensies wikkelen en vast komen te zitten.
Bovendien voorspelt de snaartheorie niet slechts één axion, maar potentieel honderden verschillende soorten, bij verschillende 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 axions donkere materie vormen, die verantwoordelijk lijkt te zijn voor het geven van het grootste deel van hun melkwegstelsels, maar niet kan worden gedetecteerd door gewone telescopen? Misschien; het is een open vraag. Maar axions-as-dark-materie moeten een aantal uitdagende observatietests ondergaan, dus sommige onderzoekers richten 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 vederlichte axions in het vroege universum, vinden ze iets heel opmerkelijks. In de vroegste momenten van de geschiedenis van onze kosmos onderging het universum faseovergangen, waarbij het zijn hele karakter veranderde van exotische, hoogenergetische toestanden naar reguliere lage-energietoestanden.
Tijdens een van deze faseovergangen (die plaatsvond toen het heelal minder dan een seconde oud was), verschenen de axies van de snaartheorie niet als deeltjes. In plaats daarvan zagen ze eruit als lussen en lijnen - een netwerk van lichtgewicht, bijna onzichtbare snaren die de kosmos doorkruisen.
Dit hypothetische axiversum, gevuld met een verscheidenheid aan lichtgewicht axion-snaren, wordt door geen andere natuurkundetheorie voorspeld dan door 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, dus licht zal niet tegen een axion aanlopen en buigen, of axions zouden zich waarschijnlijk niet vermengen met andere deeltjes. Er kunnen op dit moment miljoenen axion-snaren door de Melkweg zweven, en we zouden ze niet zien.
Maar het universum is oud en groot, en dat kunnen we in ons voordeel gebruiken, vooral als we erkennen dat het universum ook tegenlicht heeft.
De kosmische microgolfachtergrond (CMB) is het oudste licht in het universum, uitgezonden toen het nog maar een baby was - ongeveer 380.000 jaar oud. Dit licht heeft het universum gedurende al die miljarden jaren doorweekt en door de kosmos gefilterd totdat het eindelijk iets raakt, zoals onze microgolftelescopen.
Dus als we naar de CMB kijken, zien we het door miljarden lichtjaren aan universum. 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 loopt, kunnen we ze mogelijk herkennen.
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 axion-string passeert, de polarisatie van dat licht zou kunnen 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 tegenkomt. We kunnen de polarisatie van het CMB-licht meten door het signaal door gespecialiseerde filters te leiden, zodat we dit effect kunnen onderscheiden.
De onderzoekers ontdekten dat het totale effect op de CMB vanuit een universum vol snaren een verschuiving in polarisatie veroorzaakte van ongeveer 1%, wat precies op het punt staat wat we vandaag kunnen detecteren. Maar toekomstige CMB-mappers, zoals de Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) -satelliet voor de studies van B-modus polarisatie en inflatie van kosmische achtergrondstralingdetectie (LiteBIRD), en de Primordial Inflation Explorer (PIXIE), worden momenteel ontworpen. Deze futuristische telescopen zouden in staat zijn een axiversum op te snuiven. En zodra die kaartenmakers online komen, zullen we 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 bijDe Ohio State University, gastheer vanVraag een Spaceman enSpace Radio, en auteur vanJouw plaats in het universum.
