Axion Bisa Menjadi Fosil Alam Semesta yang Telah Ditunggu-Tunggu Para Peneliti

Menemukan axion partikel hipotetis bisa berarti menemukan untuk pertama kalinya apa yang terjadi di alam semesta sedetik setelah Big Bang, saran sebuah studi baru yang diterbitkan dalam Physical Review D pada 7 Juni.

Seberapa jauh ke masa lalu Semesta yang bisa kita lihat hari ini? Dalam spektrum elektromagnetik, pengamatan Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik -- biasa disebut sebagai CMB -- memungkinkan kita melihat kembali hampir 14 miliar tahun ketika Alam Semesta mendingin cukup untuk proton dan elektron bergabung dan membentuk hidrogen netral.

Gambar: super.abril.com.br

CMB telah mengajari kita banyak sekali tentang evolusi kosmos, tetapi foton di CMB dilepaskan 400.000 tahun setelah Big Bang sehingga sangat menantang untuk mempelajari sejarah alam semesta sebelum zaman ini.

Untuk membuka jendela baru, trio peneliti teoretis, termasuk Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Principal Investigator, University of California, Berkeley, Profesor Fisika MacAdams dan ilmuwan senior fakultas Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley Hitoshi Murayama , Lawrence Berkeley National Laboratory peneliti fisika dan University of California, Berkeley, rekan postdoctoral Jeff Dror (sekarang di University of California, Santa Cruz), dan Rekan Riset UC Berkeley Miller Nicholas Rodd, melihat melampaui foton, dan ke dalam alam partikel hipotetis yang dikenal sebagai axion, yang mungkin telah dipancarkan pada detik pertama sejarah alam semesta.

Dalam makalah mereka, mereka menyarankan kemungkinan mencari analog axion dari CMB, yang disebut Cosmic axion Background atau CaB.

Meskipun hipotetis, ada banyak alasan untuk mencurigai bahwa axion bisa ada di alam semesta kita.

Pertama, axion adalah prediksi umum teori string, salah satu harapan terbaik saat ini untuk teori gravitasi kuantum. Keberadaan axion selanjutnya dapat membantu memecahkan teka-teki lama tentang mengapa kita belum mengukur momen dipol listrik untuk neutron, masalah yang lebih formal dikenal sebagai "Masalah CP Kuat". Baru-baru ini, axion telah menjadi kandidat yang menjanjikan untuk materi gelap, dan sebagai konsekuensinya, para peneliti dengan cepat mencari materi gelap axion.

Dalam makalah mereka, para peneliti menunjukkan bahwa ketika eksperimentalis mengembangkan instrumen yang lebih sensitif untuk mencari materi gelap, mereka mungkin menemukan tanda axion lain dalam bentuk CaB. Tetapi karena CaB memiliki sifat yang mirip dengan axion materi gelap, ada risiko eksperimen akan membuang sinyal CaB sebagai noise.

Menemukan CaB di salah satu instrumen ini akan menjadi penemuan ganda. Tidak hanya akan mengkonfirmasi keberadaan axion, tetapi para peneliti di seluruh dunia akan segera memiliki fosil baru dari alam semesta awal. Bergantung pada bagaimana CaB diproduksi, para peneliti dapat mempelajari berbagai aspek berbeda dari evolusi Semesta yang tidak pernah mungkin terjadi sebelumnya (Gambar).

"Apa yang kami usulkan adalah, dengan mengubah cara eksperimen saat ini menganalisis data, kami mungkin dapat mencari axion yang tersisa dari alam semesta awal. Kemudian, kami mungkin dapat mempelajari tentang asal usul materi gelap, transisi fase atau inflasi di awal Alam Semesta. Sudah ada kelompok eksperimen yang menunjukkan minat pada proposal kami, dan saya harap kami dapat menemukan sesuatu yang baru tentang Alam Semesta awal yang tidak diketahui sebelumnya," kata Murayama.

"Evolusi alam semesta dapat menghasilkan axion dengan distribusi energi yang khas. Dengan mendeteksi kepadatan energi alam semesta yang saat ini terdiri dari axion, eksperimen seperti MADMAX, HAYSTAC, ADMX, dan DMRadio dapat memberi kita jawaban atas beberapa pertanyaan terpenting teka-teki dalam kosmologi, seperti, 'Seberapa panas alam semesta kita?', 'Apa sifat materi gelap?', 'Apakah alam semesta kita mengalami periode ekspansi cepat yang dikenal sebagai inflasi?', dan 'Apakah pernah ada kosmik transisi fase?'," kata Dror.

Studi baru memberikan alasan untuk bersemangat tentang program materi gelap axion. Bahkan jika materi gelap tidak terbuat dari axion, instrumen-instrumen ini dapat memberikan gambaran Alam Semesta ketika usianya kurang dari satu detik.