Een nieuwe studie, uitgevoerd om de oorsprong van het heelal beter te begrijpen, heeft inzicht gegeven in enkele van de meest blijvende vragen in de fundamentele fysica:hoe kan het standaardmodel van de deeltjesfysica worden uitgebreid om de kosmologische overmaat van materie ten opzichte van antimaterie te verklaren? Wat is donkere materie? En wat is de theoretische oorsprong van een onverwachte maar waargenomen symmetrie in de kracht die protonen en neutronen aan elkaar bindt?

In het artikel "Axiogenese, " gepland voor publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven op 17 maart, 2020, onderzoekers Keisuke Harigaya, Lid van de School of Natural Sciences van het Institute for Advanced Study, en Raymond T. Co van de Universiteit van Michigan, hebben een overtuigende casus gepresenteerd waarin het kwantumchromodynamica (QCD) axion, voor het eerst getheoretiseerd in 1977, geeft een aantal belangrijke antwoorden op deze vragen.

"We hebben onthuld dat de rotatie van het QCD-axion de overmaat aan materie in het universum kan verklaren, " verklaarde Harigaya. "We noemden dit mechanisme axiogenese."

Oneindig licht, het QCD-axion - minstens een miljard keer lichter dan een proton - is bijna spookachtig. Miljoenen van deze deeltjes gaan elke seconde door gewone materie zonder dat je het merkt. Echter, de interactie op subatomair niveau van het QCD-axion kan nog steeds detecteerbare signalen achterlaten in experimenten met ongekende gevoeligheden. Hoewel het QCD-axion nooit direct is gedetecteerd, deze studie biedt extra brandstof voor experimentatoren om op het ongrijpbare deeltje te jagen.

"De veelzijdigheid van het QCD-axion bij het oplossen van de mysteries van de fundamentele fysica is echt verbazingwekkend, " verklaarde Co. "We zijn enthousiast over de onontgonnen theoretische mogelijkheden die dit nieuwe aspect van het QCD-axion kan brengen. Belangrijker, experimenten kunnen ons binnenkort vertellen of de mysteries van de natuur echt wijzen op het QCD-axion."

Harigaya en Co hebben beredeneerd dat het QCD-axion in staat is om drie ontbrekende stukjes van de natuurkundige puzzel tegelijkertijd te vullen. Eerst, het QCD-axion werd oorspronkelijk voorgesteld om het zogenaamde sterke CP-probleem te verklaren - waarom de sterke kracht, die protonen en neutronen aan elkaar bindt, behoudt onverwacht een symmetrie die de Charge Parity (CP) -symmetrie wordt genoemd. De CP-symmetrie wordt afgeleid uit de waarneming dat een neutron ondanks zijn geladen bestanddelen niet reageert met een elektrisch veld. Tweede, het QCD axion bleek een goede kandidaat te zijn voor donkere materie, biedt wat een grote doorbraak zou kunnen zijn in het begrijpen van de samenstelling van ongeveer 80 procent van de massa van het universum die nog nooit rechtstreeks is waargenomen. In hun werk over het vroege heelal, Harigaya en Co hebben vastgesteld dat het QCD-axion ook het materie-antimaterie-asymmetrieprobleem kan verklaren.

Terwijl materie en antimateriedeeltjes op elkaar inwerken, ze worden onderling vernietigd. In de eerste fractie van een seconde na de oerknal, materie en antimaterie bestonden in gelijke hoeveelheden. Deze symmetrie verhinderde de overheersing van de ene soort materie over de andere. Vandaag, het heelal is gevuld met materie, wat aangeeft dat deze symmetrie moet zijn verbroken. Harigaya en Co noemen het QCD-axion als de boosdoener. Kinetische energie, als gevolg van de beweging van het QCD-axion, produceerde extra baryonen of gewone materie. Deze lichte kanteling van de schaal ten gunste van de materie zou een uitgesproken cascade-effect hebben gehad, de weg vrijmaakt voor het universum zoals het nu bekend is.

Een beter begrip van de nieuw ontdekte dynamiek van het QCD-axion zou mogelijk de expansiegeschiedenis van het universum kunnen veranderen en zo de studie van zwaartekrachtsgolven kunnen informeren. Toekomstig werk over dit onderwerp zou ook meer inzicht kunnen geven in andere blijvende vragen van fundamentele fysica, zoals de oorsprong van de kleine neutrinomassa.

"Aangezien theoretische en experimentele deeltjesfysici, astrofysici, en kosmologen begonnen het QCD-axion te bestuderen, grote vooruitgang is geboekt. We hopen dat ons werk deze interdisciplinaire onderzoeksinspanningen verder bevordert, ’ voegde Harigaya eraan toe.