Natuurkundigen van de Universiteit van Texas in Austin hebben een antwoord gevonden op een van de meest verwarrende vragen in de natuurkunde:waarom is er nog reguliere materie in het universum?

Hun antwoord is dat een hypothetisch deeltje, het axion genaamd, niet zo zwaar was als eerder werd gedacht. Lichtere axionen zouden als minder katalysator fungeren, waardoor meer materie het vroege universum zou kunnen overleven. "De reden dat we materie in het universum hebben, heeft te maken met een of ander exotisch verval van dit axionachtige deeltje", zegt Peter Graham, assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Texas in Austin. "Onze berekening was dat het axion net licht genoeg was om een ​​klein beetje van dit verval te produceren en voldoende materie te laten overleven."

Axionen zijn hypothetische elementaire deeltjes waarvan werd voorspeld dat ze zouden bestaan ​​als een oplossing voor het sterke CP-probleem, wat een theoretische puzzel is over waarom er geen elektrisch dipoolmoment is in neutronen. De Peccei-Quinn-theorie biedt een antwoord en suggereert dat er axionen bestaan ​​en dat hun interacties het elektrische dipoolmoment van het neutron opheffen.

Het bestaan ​​van axionen is actief nagestreefd door natuurkundigen, en men denkt dat hun massa varieert van 10^-36 tot 10^-26 elektronvolt. De massa van het axion bepaalt de impact ervan op de evolutie van materie in het vroege universum. Zware axionen zouden leiden tot snelle neutronen-antineutronenoscillaties, waardoor de materie snel zou worden uitgeput. Lichtere axionen zouden ervoor zorgen dat meer protonen kunnen overleven, wat zou resulteren in het door materie gedomineerde universum dat we vandaag de dag waarnemen.

Om de massa van het axion en de interactie ervan met fotonen te onderzoeken, voerde het team van onderzoekers simulaties uit met supercomputers in het Texas Advanced Computing Center (TACC). Ze onderzochten een breed scala aan axionmassa's en berekenden de waarschijnlijkheid van axion-foton-interacties.

Uit hun berekeningen bleek dat voor een axionmassa van ongeveer 10^-28 elektronvolt de axion-fotonkoppeling sterk genoeg was om een ​​voldoende langzame evolutie van het neutronen-antineutronensysteem teweeg te brengen, waardoor meer materie in het vroege heelal behouden bleef.

Deze bevinding opent nieuwe mogelijkheden voor axiononderzoeken, wat suggereert dat experimenten met optische en röntgenholtes axionmassa's dichtbij dit bereik kunnen onderzoeken.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters en omvatte een samenwerking met David Moore en Gordan Krnjaic van het Kavli Institute for Cosmological Physics aan de Universiteit van Chicago. Het werk werd ondersteund door het Department of Energy, de National Science Foundation en de Alfred P. Sloan Foundation.