Das Universum kann mit einem Spinnennetz aus unsichtbaren Strings überflutet werden

Was wäre, wenn ich Ihnen sagen würde, dass unser Universum mit Hunderten von Arten von nahezu unsichtbaren Teilchen überflutet war und dass diese Teilchen vor langer Zeit ein Netzwerk von universumsübergreifenden Strings bildeten? 

Es klingt sowohl trippig als auch fantastisch, aber es ist tatsächlich eine Vorhersage der Stringtheorie, unser bester (aber frustrierend unvollständiger) Versuch einer Theorie von allem. Diese bizarren, wenn auch hypothetischen kleinen Teilchen werden als Axionen bezeichnet, und wenn sie gefunden werden können, würde dies bedeuten, dass wir alle in einem riesigen "Axiversum" leben.

Das Beste an dieser Theorie ist, dass es sich nicht nur um eine Sesselhypothese eines Physikers handelt, für die es keine Möglichkeit zum Testen gibt. Dieses unverständlich große Netzwerk von Strings könnte in naher Zukunft mit Mikrowellenteleskopen erkennbar sein, die tatsächlich gebaut werden. 

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Wenn es gefunden würde, würde uns das Axiversum einen großen Schritt weiter bringen, um das Rätsel zu lösen ... nun, die gesamte Physik.

Eine Symphonie von Streichern

OK, kommen wir zur Sache. Zuerst müssen wir das Axion etwas besser kennenlernen. Das Axion, das 1978 vom Physiker (und später Nobelpreisträger) Frank Wilczek benannt wurde, erhält seinen Namen, weil angenommen wird, dass es aus einer bestimmten Art von Symmetriebrechung besteht. Ich weiß, ich weiß - mehr Jargon. Warten Sie mal. Physiker lieben Symmetrien - wenn bestimmte Muster in der Mathematik auftreten. 

Es gibt eine Art von Symmetrie, die als CP-Symmetrie bezeichnet wird und besagt, dass sich Materie und Antimaterie gleich verhalten sollten, wenn ihre Koordinaten umgekehrt werden. Diese Symmetrie scheint jedoch nicht auf natürliche Weise in die Theorie der starken Kernkraft zu passen. Eine Lösung für dieses Rätsel besteht darin, eine weitere Symmetrie in das Universum einzuführen, die dieses Fehlverhalten "korrigiert". Diese neue Symmetrie tritt jedoch nur bei extrem hohen Energien auf. Bei alltäglichen niedrigen Energien verschwindet diese Symmetrie, und um dies zu erklären, springt ein neues Teilchen heraus - das Axion.

Jetzt müssen wir uns der Stringtheorie zuwenden, die unser Versuch ist (und seit etwa 50 Jahren unser Hauptversuch ist), alle Naturkräfte, insbesondere die Schwerkraft, in einem einzigen theoretischen Rahmen zu vereinen. Es hat sich als besonders heikles Problem erwiesen, das aufgrund einer Vielzahl von Faktoren zu lösen ist, nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass die Stringtheorie funktioniert (mit anderen Worten, dass die Mathematik überhaupt die Hoffnung hat, sie zu lösen) Das Universum muss mehr als die üblichen drei Dimensionen des Raums und eine der Zeit haben. Es müssen zusätzliche räumliche Dimensionen vorhanden sein.

Diese räumlichen Dimensionen sind natürlich mit bloßem Auge nicht sichtbar; sonst hätten wir so etwas bemerkt. Die zusätzlichen Dimensionen müssen also winzig klein sein und sich in so kleinen Maßstäben zusammenrollen, dass sie den normalen Bemühungen, sie zu erkennen, entgehen.

Was dies schwierig macht, ist, dass wir nicht genau wissen, wie sich diese zusätzlichen Dimensionen auf sich selbst zusammenrollen, und dass es ungefähr 10 ^ 200 Möglichkeiten gibt, dies zu tun.

Was diese dimensionalen Anordnungen jedoch gemeinsam zu haben scheinen, ist die Existenz von Axionen, die in der Stringtheorie Teilchen sind, die sich um einige der zusammengerollten Dimensionen wickeln und stecken bleiben.

Darüber hinaus sagt die Stringtheorie nicht nur ein Axion voraus, sondern möglicherweise Hunderte verschiedener Arten bei einer Vielzahl von Massen, einschließlich des Axions, das in den theoretischen Vorhersagen der starken Kernkraft erscheinen könnte.

Dumme Saiten

Wir haben also viele neue Arten von Partikeln mit allen Arten von Massen. Toll! Könnten Axionen dunkle Materie bilden, die dafür verantwortlich zu sein scheint, dass Galaxien den größten Teil ihrer Masse erhalten, aber von gewöhnlichen Teleskopen nicht erfasst werden können? Vielleicht; Es ist eine offene Frage. Da Axionen als dunkle Materie jedoch einigen herausfordernden Beobachtungstests unterzogen werden müssen, konzentrieren sich einige Forscher stattdessen auf das hellere Ende der Axionfamilien und suchen nach Wegen, um sie zu finden.

Und wenn diese Forscher anfangen, sich mit dem vorhergesagten Verhalten dieser federleichten Axionen im frühen Universum auseinanderzusetzen, finden sie etwas wirklich Bemerkenswertes. In den frühesten Momenten der Geschichte unseres Kosmos durchlief das Universum Phasenübergänge und veränderte seinen gesamten Charakter von exotischen Zuständen hoher Energie zu regulären Zuständen niedriger Energie. 

Während eines dieser Phasenübergänge (der stattfand, als das Universum weniger als eine Sekunde alt war) erschienen die Axionen der Stringtheorie nicht als Teilchen. Stattdessen sahen sie aus wie Schleifen und Linien - ein Netzwerk aus leichten, fast unsichtbaren Fäden, die den Kosmos durchziehen.

Dieses hypothetische Axiversum, gefüllt mit einer Vielzahl leichter Axion-Saiten, wird von keiner anderen Theorie der Physik als der Stringtheorie vorhergesagt. Wenn wir also feststellen, dass wir in einem Axiversum leben, wäre dies ein großer Segen für die Stringtheorie. 

Eine Verschiebung im Licht

Wie können wir nach diesen Axionstrings suchen? Modelle sagen voraus, dass Axionsketten eine sehr geringe Masse haben, sodass Licht nicht gegen ein Axion stößt und sich verbiegt oder Axionen sich wahrscheinlich nicht mit anderen Partikeln vermischen. Im Moment könnten Millionen von Axion-Saiten durch die Milchstraße schweben, und wir würden sie nicht sehen.

Aber das Universum ist alt und groß, und wir können das zu unserem Vorteil nutzen, besonders wenn wir erkennen, dass das Universum auch von hinten beleuchtet ist.

Der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB) ist das älteste Licht im Universum, das emittiert wurde, als es noch ein Baby war - ungefähr 380.000 Jahre alt. Dieses Licht hat das Universum all diese Milliarden von Jahren durchnässt und durch den Kosmos gefiltert, bis es schließlich auf etwas trifft, wie unsere Mikrowellenteleskope. 

Wenn wir uns also die CMB ansehen, sehen wir sie durch das Universum von Milliarden von Lichtjahren. Es ist, als würde man das Leuchten einer Taschenlampe durch eine Reihe von Spinnweben betrachten: Wenn ein Netzwerk von Axionstrings durch den Kosmos gezogen wird, könnten wir sie möglicherweise erkennen.

In einer kürzlich am 5. Dezember in der arXiv-Datenbank veröffentlichten Studie berechneten drei Forscher die Auswirkung eines Axiversums auf CMB-Licht. Sie fanden heraus, dass sich die Polarisation dieses Lichts je nachdem, wie ein Stück Licht in der Nähe einer bestimmten Axionkette verläuft, verschieben kann. Das liegt daran, dass das CMB-Licht (und alles Licht) aus Wellen elektrischer und magnetischer Felder besteht und die Polarisation des Lichts uns sagt, wie die elektrischen Felder ausgerichtet sind - etwas, das sich ändert, wenn das CMB-Licht auf ein Axion trifft. Wir können die Polarisation des CMB-Lichts messen, indem wir das Signal durch spezielle Filter leiten und so diesen Effekt erkennen. 

Die Forscher fanden heraus, dass der Gesamteffekt eines Universums voller Strings auf die CMB zu einer Polarisationsverschiebung von etwa 1% führte, was genau dem entspricht, was wir heute feststellen können. Zukünftige CMB-Mapper wie der Cosmic Origins Explorer, der Lite (Light) -Satellit für die Untersuchung der B-Mode-Polarisation und Inflation aus der kosmischen Hintergrundstrahlungserkennung (LiteBIRD) und der Primordial Inflation Explorer (PIXIE) werden derzeit entwickelt. Diese futuristischen Teleskope könnten ein Axiversum ausspähen. Und sobald diese Mapper online sind, werden wir entweder feststellen, dass wir in einem Axiversum leben, oder diese spezielle Vorhersage der Stringtheorie ausschließen.

In jedem Fall gibt es viel zu entwirren.

Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradio, und Autor von Dein Platz im Universum.

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