Tak zwany model standardowy, czyli teoria fizyki cząstek elementarnych i jedna z najważniejszych teorii współczesnej fizyki, całkiem nieźle wyjaśnia to, dlaczego nasz Wszechświat wygląda tak jak wygląda i dlaczego jego składowe oddziałują na siebie tak, a nie inaczej. To powiedziawszy, wciąż istnieje wiele kosmicznych tajemnic, których treść tej teorii nie wyjaśnia. Jak jednak uważają badacze z Uniwersytetu w Michigan i Instytutu Badań Zaawansowanych, aż trzy z tych tajemnic może wyjaśniać pewna hipotetyczna cząsteczka.
Brakujące ogniwo
Jeśli aksjon, bo tak brzmi nazwa wspomnianej hipotetycznej cząsteczki, istnieje, jest on cząsteczką o niezwykle małej masie – miliardy razy mniejszej niż proton. Poza tym, zgodnie z przyjętą hipotezą nie posiada on ładunku elektrycznego. Choć aksjony powinny być porozrzucane po całym kosmosie, nie wchodzą one w interakcje z innymi rodzajami materii. Być może dlatego dotychczas nie udało się odnaleźć bezpośrednich dowodów na ich istnienie ani ich wykryć.
Aksjon został po raz pierwszy zaproponowany w 1977 roku przez Roberto Peccei’a oraz Helen Quinn. Dwójka fizyków stwierdziła wówczas, że aksjon może tłumaczyć, dlaczego neutrony nie wchodzą w interakcje z polami elektromagnetycznymi, choć powinny. Ich zdaniem aksjony mogą te interakcje blokować.
Kwestia ciemnej materii
Z czasem astronomowie zdali sobie także sprawę z tego, że to aksjony mogą być tajemniczymi cząsteczkami tworzącymi ciemną materię – rzecz jasna, o ile istnieją. Dekady astronomicznych obserwacji pokazały, że galaktyki zlokalizowane we Wszechświecie posiadają większą masę niż powinny. Dlatego stwierdzono, że poza widoczną materią muszą zawierać one materię niewidoczną, dzięki której utrzymują swój kształt – nazwaną ostatecznie ciemną materią. Od dawna dyskutuje się, czym tak w zasadzie ta ciemna materia może być, a aksjony często były tematem tych dyskusji.
Aksjogeneza
Teraz badacze z Uniwersytetu w Michigan i Instytutu Badań Zaawansowanych zauważają, że aksjony mogą też odpowiadać za fakt, że Wszechświat… nadal istnieje. Te hipotetyczne cząsteczki mogły po Wielkim Wybuchu uchronić go przed anihilacją. W jaki sposób? Otóż, Wielki Wybuch powinien był doprowadzić to powstania takiej samej ilości antymaterii, co materii. Problem w tym, że spotkanie cząsteczki materii i antymaterii kończy się zniszczeniem ich obydwu i uwolnieniem dużej ilości energii. Zatem, jeśli po Wielkim Wybuchu byłoby tyle samo materii i antymaterii, te już dawno by się wzajemnie unicestwiły. Niemniej, Wszechświat dotrwał do dziś, co jest zagwozdką dla fizyków z całego świata.
Zdaniem badaczy z Uniwersytetu w Michigan i Instytutu Badań Zaawansowanych, po Wielkim Wybuchu aksjony mogły utworzyć pole, które z czasem zaczęło oscylować. Te oscylacje mogły z kolei sprawić, że we Wszechświecie powstało nieco więcej materii niż antymaterii. Nawet jeśli odchylenie od równowagi między materią a antymaterią było niewielkie, dzięki niemu w kosmosie mogło pozostać wystarczająco materii, by stworzyć wszystko to, co otacza nas dzisiaj. Zespół uczonych nazwał opisany proces aksjogenezą.
Rotacja aksjonu (czarna kulka) produkuje nadmiar materii (kulki czerwone, zielone i niebieskie) w stosunku do antymaterii, umożliwiając istnienie galaktyk, planet i ludzi. | Źródło: Uniwersytet w Michigan.
Co dalej?
Fizycy od lat szukają dowodów na istnienie aksjonów. Jak już jednak wspomniałam, póki co tych cząstek nie udało się wykryć. Być może z czasem uda się to zrobić, tak jak było w przypadku bozonu Higgsa. Ten także był hipotetyczną cząsteczką, aż do 2012 roku, gdy wykryły go dwa niezależne zespoły naukowców z CERN.
Źródło: Uniwersytet w Michigan