Bagaimana jika saya katakan kepada Anda bahwa alam semesta kita dibanjiri ratusan jenis partikel yang hampir tidak terlihat dan bahwa, dahulu kala, partikel-partikel ini membentuk jaringan string yang menjangkau seluruh alam semesta?
Kedengarannya trippy dan mengagumkan, tetapi sebenarnya prediksi teori string, upaya terbaik kami (tapi tidak lengkap) pada teori segalanya. Partikel-partikel kecil yang aneh, meskipun hipotetis, ini dikenal sebagai axions, dan jika mereka dapat ditemukan, itu berarti kita semua hidup dalam "axiverse" yang luas.
Bagian terbaik dari teori ini adalah bahwa itu bukan hanya beberapa hipotesis kursi fisikawan, tanpa kemungkinan pengujian. Jaringan string yang sangat besar ini dapat dideteksi dalam waktu dekat dengan teleskop gelombang mikro yang sebenarnya sedang dibangun.
Jika ditemukan, axiverse akan memberi kita langkah besar dalam memecahkan teka-teki ... yah, semua fisika.
Simfoni string
Oke, mari kita mulai bisnis. Pertama, kita perlu mengenal sedikit lebih baik axion. Axion, dinamai oleh fisikawan (dan, kemudian, pemenang Nobel) Frank Wilczek pada 1978, mendapatkan namanya karena dihipotesiskan ada dari jenis pemecahan simetri tertentu. Saya tahu, saya tahu - lebih banyak jargon. Tahan. Fisikawan menyukai simetri - ketika pola-pola tertentu muncul dalam matematika.
Ada satu jenis simetri, yang disebut simetri CP, yang mengatakan bahwa materi dan antimateri harus berperilaku sama ketika koordinatnya dibalik. Tetapi simetri ini tampaknya tidak cocok secara alami ke dalam teori gaya nuklir kuat. Salah satu solusi untuk teka-teki ini adalah memperkenalkan simetri lain di alam semesta yang "mengoreksi" untuk perilaku buruk ini. Namun, simetri baru ini hanya muncul pada energi yang sangat tinggi. Pada energi rendah setiap hari, simetri ini menghilang, dan untuk memperhitungkan itu, dan muncul partikel baru - axion.
Sekarang, kita perlu beralih ke teori string, yang merupakan upaya kami (dan telah menjadi upaya utama kami selama 50-an tahun sekarang) untuk menyatukan semua kekuatan alam, terutama gravitasi, dalam satu kerangka teori tunggal. Ini terbukti menjadi masalah yang sangat sulit untuk dipecahkan, karena berbagai faktor, yang paling tidak adalah bahwa, agar teori string bekerja (dengan kata lain, matematika bahkan memiliki harapan untuk bekerja), kami alam semesta harus memiliki lebih dari tiga dimensi ruang dan satu waktu yang biasa; harus ada dimensi spasial tambahan.
Dimensi ruang ini tidak terlihat dengan mata telanjang, tentu saja; kalau tidak, kita akan memperhatikan hal semacam itu. Jadi dimensi ekstra harus sangat kecil dan meringkuk pada skala yang sangat kecil sehingga mereka menghindari upaya normal untuk menemukannya.
Apa yang membuat ini sulit adalah bahwa kita tidak benar-benar yakin bagaimana dimensi-dimensi ekstra ini meringkuk pada diri mereka sendiri, dan ada sekitar 10 ^ 200 cara yang mungkin untuk melakukannya.
Tapi kesamaan yang dimiliki oleh pengaturan dimensi ini adalah keberadaan axions, yang, dalam teori string, adalah partikel yang melilit diri di sekitar beberapa dimensi yang melengkung dan tersangkut.
Terlebih lagi, teori string tidak memprediksi hanya satu axion tetapi berpotensi ratusan jenis berbeda, pada berbagai massa, termasuk axion yang mungkin muncul dalam prediksi teoritis kekuatan nuklir yang kuat.
String konyol
Jadi, kita memiliki banyak jenis partikel baru dengan semua jenis massa. Bagus! Bisakah axion membentuk materi gelap, yang tampaknya bertanggung jawab untuk memberikan galaksi sebagian besar massa mereka tetapi tidak dapat dideteksi oleh teleskop biasa? Mungkin; ini pertanyaan terbuka. Tetapi axion-as-dark-matter harus menghadapi beberapa uji pengamatan yang menantang, jadi beberapa peneliti malah fokus pada ujung yang lebih ringan dari keluarga axion, mencari cara untuk menemukannya.
Dan ketika para peneliti itu mulai menggali perilaku yang diprediksi dari axion kelas bulu ini di alam semesta awal, mereka menemukan sesuatu yang benar-benar luar biasa. Pada saat-saat paling awal dari sejarah kosmos kita, alam semesta mengalami transisi fase, mengubah seluruh karakternya dari keadaan eksotis, energi tinggi ke kondisi energi rendah biasa.
Selama salah satu transisi fase ini (yang terjadi ketika alam semesta berusia kurang dari satu detik), axions dari teori string tidak muncul sebagai partikel. Sebaliknya, mereka tampak seperti loop dan garis - jaringan string yang ringan, hampir tak terlihat bersilangan melintasi kosmos.
Sumbu hipotetis ini, diisi dengan berbagai string pucuk ringan, tidak diprediksi oleh teori fisika lain selain teori string. Jadi, jika kita menentukan bahwa kita hidup dalam sumbu, itu akan menjadi keuntungan besar bagi teori string.
Pergeseran cahaya
Bagaimana kita bisa mencari string axion ini? Model meramalkan bahwa string axion memiliki massa yang sangat rendah, sehingga cahaya tidak akan menabrak axion dan bend, atau axion kemungkinan tidak akan bergaul dengan partikel lain. Mungkin ada jutaan string axion mengambang di Bima Sakti sekarang, dan kita tidak akan melihatnya.
Tetapi alam semesta sudah tua dan besar, dan kita dapat menggunakannya untuk keuntungan kita, terutama sekali kita menyadari bahwa alam semesta juga memiliki cahaya latar.
Latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) adalah cahaya tertua di alam semesta, yang dipancarkan ketika ia masih bayi - sekitar 380.000 tahun. Cahaya ini telah merendam alam semesta selama miliaran tahun ini, menyaring kosmos hingga akhirnya mencapai sesuatu, seperti teleskop microwave kami.
Jadi, ketika kita melihat CMB, kita melihatnya melalui miliaran nilai alam semesta tahun cahaya. Ini seperti melihat cahaya senter melalui serangkaian sarang laba-laba: Jika ada jaringan string axion yang berulir melalui kosmos, kita berpotensi menemukan mereka.
Dalam sebuah studi baru-baru ini, yang diterbitkan dalam database arXiv pada 5 Desember, trio peneliti menghitung efek yang akan terjadi pada cahaya CMB. Mereka menemukan bahwa, tergantung pada bagaimana sedikit cahaya melewati dekat string axion tertentu, polarisasi cahaya itu bisa bergeser. Itu karena cahaya CMB (dan semua cahaya) terbuat dari gelombang medan listrik dan magnet, dan polarisasi cahaya memberi tahu kita bagaimana medan listrik diorientasikan - sesuatu yang berubah ketika cahaya CMB bertemu dengan axion. Kita dapat mengukur polarisasi cahaya CMB dengan melewatkan sinyal melalui filter khusus, memungkinkan kita untuk memilih efek ini.
Para peneliti menemukan bahwa efek total pada CMB dari alam semesta yang penuh dengan string memperkenalkan perubahan dalam polarisasi sebesar sekitar 1%, yang tepat di ambang apa yang dapat kita deteksi hari ini. Tapi pemetaan CMB masa depan, seperti Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) satelit untuk studi polarisasi B-mode dan Inflasi dari latar belakang kosmik Radiasi Detection (LiteBIRD), dan Primordial Inflation Explorer (PIXIE), saat ini sedang dirancang. Teleskop futuristik ini akan mampu mengendus suatu sumbu. Dan begitu para pembuat peta online, kita akan menemukan bahwa kita hidup dalam sumbu atau mengesampingkan prediksi khusus teori string ini.
Apa pun itu, ada banyak hal yang harus diatasi.
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan diUniversitas Negeri Ohio, tuan rumah dariTanya seorang angkasawan danRadio luar angkasa, dan penulisTempat Anda di Alam Semesta.
