E se ti dicessi che il nostro universo è stato inondato da centinaia di tipi di particelle quasi invisibili e che, molto tempo fa, queste particelle formavano una rete di stringhe che si estendono nell'universo?
Sembra sia trippy che fantastico, ma in realtà è una previsione della teoria delle stringhe, il nostro tentativo migliore (ma frustrantemente incompleto) di una teoria di tutto. Queste piccole particelle bizzarre, anche se ipotetiche, sono conosciute come assioni, e se si possono trovare, ciò significherebbe che tutti viviamo in un vasto "axiverse".
La parte migliore di questa teoria è che non si tratta solo dell'ipotesi della poltrona di un fisico, senza possibilità di test. Questa rete di stringhe incomprensibilmente grande potrebbe essere rilevabile nel prossimo futuro con i telescopi a microonde che vengono effettivamente costruiti.
Se trovato, l'ascendente ci darebbe un grande passo avanti nel capire il puzzle di ... beh, tutta la fisica.
Una sinfonia di stringhe
OK, mettiamoci al lavoro. Innanzitutto, dobbiamo conoscere meglio l'assione. L'assione, chiamato dal fisico (e, successivamente, premio Nobel) Frank Wilczek nel 1978, prende il nome perché si ipotizza che esista da un certo tipo di rottura della simmetria. Lo so, lo so - più gergo. Resisti. I fisici adorano le simmetrie - quando alcuni schemi compaiono in matematica.
C'è un tipo di simmetria, chiamata simmetria CP, che dice che materia e antimateria dovrebbero comportarsi allo stesso modo quando le loro coordinate sono invertite. Ma questa simmetria non sembra adattarsi naturalmente alla teoria della forte forza nucleare. Una soluzione a questo enigma è introdurre un'altra simmetria nell'universo che "corregge" per questo comportamento scorretto. Tuttavia, questa nuova simmetria appare solo a energie estremamente elevate. Alle basse energie di tutti i giorni, questa simmetria scompare, e per renderne conto, e si apre una nuova particella: l'assione.
Ora, dobbiamo passare alla teoria delle stringhe, che è il nostro tentativo (ed è stato il nostro principale tentativo da 50 anni dispari) per unificare tutte le forze della natura, in particolare la gravità, in un unico quadro teorico. Si è dimostrato un problema particolarmente spinoso da risolvere, a causa di una varietà di fattori, non ultimo il fatto che la teoria delle stringhe funziona (in altre parole, la matematica ha persino una speranza di risolversi), il nostro l'universo deve avere più delle solite tre dimensioni dello spazio e una del tempo; ci devono essere ulteriori dimensioni spaziali.
Queste dimensioni spaziali non sono visibili ad occhio nudo, ovviamente; altrimenti, avremmo notato questo genere di cose. Quindi le dimensioni extra devono essere minuscole e rannicchiate su se stesse su scale così piccole che sfuggono ai normali sforzi per individuarle.
Ciò che rende questo difficile è che non siamo esattamente sicuri di come queste dimensioni extra si pieghino su se stesse, e ci sono circa 10 ^ 200 modi possibili per farlo.
Ma ciò che queste disposizioni dimensionali sembrano avere in comune è l'esistenza di assioni, che, nella teoria delle stringhe, sono particelle che si avvolgono attorno ad alcune dimensioni accartocciate e rimangono bloccate.
Inoltre, la teoria delle stringhe non prevede solo un assione ma potenzialmente centinaia di tipi diversi, in una varietà di masse, incluso l'assione che potrebbe apparire nelle previsioni teoriche della forte forza nucleare.
Stringhe sciocche
Quindi, abbiamo un sacco di nuovi tipi di particelle con tutti i tipi di masse. Grande! Gli assioni potrebbero costituire la materia oscura, che sembra essere responsabile per dare alle galassie la maggior parte della loro massa ma non può essere rilevata dai normali telescopi? Forse; è una domanda aperta. Ma gli assioni come materia oscura devono affrontare alcuni impegnativi test osservativi, quindi alcuni ricercatori si concentrano invece sull'estremità più leggera delle famiglie degli assioni, esplorando i modi per trovarli.
E quando quei ricercatori iniziano a scavare nel comportamento previsto di questi assioni piuma nell'universo primordiale, trovano qualcosa di veramente straordinario. Nei primi momenti della storia del nostro cosmo, l'universo ha attraversato transizioni di fase, cambiando il suo intero carattere da stati esotici ad alta energia a stati regolari a bassa energia.
Durante una di queste transizioni di fase (avvenuta quando l'universo aveva meno di un secondo di vita), gli assioni della teoria delle stringhe non apparivano come particelle. Invece, sembravano anelli e linee: una rete di corde leggere, quasi invisibili che attraversano il cosmo.
Questo ipotetico assenzio, riempito con una varietà di stringhe di assioni leggere, non è previsto da nessun'altra teoria della fisica se non la teoria delle stringhe. Quindi, se determiniamo che viviamo in un axiverse, sarebbe un grande vantaggio per la teoria delle stringhe.
Uno spostamento nella luce
Come possiamo cercare queste stringhe di assioni? I modelli prevedono che le stringhe di assioni hanno una massa molto bassa, quindi la luce non si scontrerà in un assione e non si piegherà, o gli assioni probabilmente non si mescolerebbero con altre particelle. Potrebbero esserci milioni di stringhe di assioni che fluttuano attraverso la Via Lattea in questo momento, e non le vedremmo.
Ma l'universo è vecchio e grande e possiamo usarlo a nostro vantaggio, specialmente una volta che riconosciamo che anche l'universo è retroilluminato.
Il fondo cosmico a microonde (CMB) è la luce più antica dell'universo, emessa quando era solo un bambino - circa 380.000 anni. Questa luce ha inzuppato l'universo per tutti questi miliardi di anni, filtrando attraverso il cosmo fino a quando non colpisce finalmente qualcosa, come i nostri telescopi a microonde.
Quindi, quando guardiamo il CMB, lo vediamo attraverso miliardi di anni luce di universo. È come guardare il bagliore di una torcia attraverso una serie di ragnatele: se c'è una rete di stringhe di assioni infilate nel cosmo, potremmo potenzialmente individuarle.
In un recente studio, pubblicato nel database arXiv il 5 dicembre, un trio di ricercatori ha calcolato l'effetto che un axiverse avrebbe sulla luce CMB. Hanno scoperto che, a seconda di come passa un po 'di luce vicino a una particolare stringa di assioni, la polarizzazione di quella luce potrebbe spostarsi. Questo perché la luce CMB (e tutta la luce) è composta da onde di campi elettrici e magnetici e la polarizzazione della luce ci dice come sono orientati i campi elettrici - qualcosa che cambia quando la luce CMB incontra un assione. Siamo in grado di misurare la polarizzazione della luce CMB passando il segnale attraverso filtri specializzati, permettendoci di individuare questo effetto.
I ricercatori hanno scoperto che l'effetto totale sul CMB da un universo pieno di stringhe ha introdotto uno spostamento della polarizzazione pari a circa l'1%, che è proprio sull'orlo di ciò che possiamo rilevare oggi. Ma i futuri mapper CMB, come il Cosmic Origins Explorer, il satellite Lite (Light) per gli studi sulla polarizzazione B-mode e sull'inflazione da radiazione cosmica di fondo (LiteBIRD) e il Primordial Inflation Explorer (PIXIE), sono attualmente in fase di progettazione. Questi telescopi futuristici sarebbero in grado di fiutare un axiverse. E una volta che quei mappatori saranno online, scopriremo che viviamo in un axiverse o escluderemo questa particolare previsione della teoria delle stringhe.
Ad ogni modo, c'è molto da districare.
Paul M. Sutter è un astrofisico aLa Ohio State University, ospite diChiedi a un astronauta eSpace Radioe autore diIl tuo posto nell'universo.
