Universum kan översvämmas med ett spindelnätverk av osynliga strängar

Tänk om jag berättade för dig att vårt universum var översvämmat med hundratals typer av nästan osynliga partiklar och att dessa partiklar för länge sedan bildade ett nätverk av universumsspännande strängar? 

Det låter både trippy och fantastiskt, men det är faktiskt en förutsägelse av strängteori, vårt bästa (men frustrerande ofullständiga) försök till en teori om allt. Dessa bisarra, om än hypotetiska, små partiklar är kända som axioner, och om de kan hittas, skulle det betyda att vi alla lever i en enorm "axiverse."

Den bästa delen av denna teori är att det inte bara är någon fysikers fåtöljhypotes, utan möjlighet att testa. Detta obegripligt enorma nätverk av strängar kan detekteras inom en snar framtid med mikrovågsteleskop som faktiskt byggs. 

Relaterad: De största olösta mysterierna i fysik

Om den hittas, skulle axiversen ge oss ett stort steg upp för att räkna ut pusslet till ... ja, all fysik.

En symfoni av strängar

OK, låt oss komma igång. Först måste vi lära känna axionen lite bättre. Axionen, som namnges av fysiker (och senare Nobelpristagaren) Frank Wilczek 1978, får sitt namn eftersom den antas att den existerar från en viss typ av symmetri-brytning. Jag vet, jag vet - mer jargon. Vänta. Fysiker älskar symmetrier - när vissa mönster visas i matematik. 

Det finns en typ av symmetri, kallad CP-symmetri, som säger att materia och antimateria bör uppträda på samma sätt när deras koordinater är omvända. Men denna symmetri verkar inte passa naturligt in i teorin om den starka kärnkraften. En lösning på detta pussel är att införa en annan symmetri i universum som "korrigerar" för denna missuppföljning. Denna nya symmetri visas dock endast vid extremt höga energier. Vid vardagliga låga energier försvinner denna symmetri, och för att redogöra för det, och dyker upp en ny partikel - axionen.

Nu måste vi vända oss till strängteorin, som är vårt försök (och har varit vårt huvudsakliga försök i 50 udda år nu) att förena alla naturens krafter, särskilt tyngdkraften, i en enda teoretisk ram. Det har visat sig vara ett särskilt taggigt problem att lösa, på grund av en mängd olika faktorer, inte minst som är att, för strängteori att fungera (med andra ord, för att matematiken till och med har hopp om att träna), universum måste ha mer än de vanliga tre dimensioner av rymden och en av tid; det måste finnas extra rumsliga dimensioner.

Dessa rumsliga dimensioner är naturligtvis inte synliga för det blotta ögat; annars skulle vi ha märkt den typen av saker. Så de extra dimensionerna måste vara teensy-små och böjda upp sig själva i skalor så små att de undviker normala ansträngningar för att upptäcka dem.

Det som gör detta svårt är att vi inte är riktigt säkra på hur dessa extra dimensioner krullar upp sig själva, och det finns någonstans runt 10 ^ 200 möjliga sätt att göra det.

Men vad dessa dimensionella arrangemang verkar ha gemensamt är förekomsten av axioner, som i strängteori är partiklar som lindar sig runt några av de sammankopplade dimensioner och fastnar.

Dessutom förutsäger inte strängteori bara en axion utan potentiellt hundratals olika slag, i en mängd olika massor, inklusive axionen som kan förekomma i de teoretiska förutsägelserna om den starka kärnkraften.

Dumma strängar

Så vi har massor av nya typer av partiklar med alla slags massor. Bra! Kan axlar utgöra mörk materia, som verkar vara ansvarig för att ge galaxer större delen av sin massa men inte kan upptäckas av vanliga teleskop? Kanske; det är en öppen fråga. Men axions-as-dark-matter måste möta några utmanande observationsprov, så vissa forskare istället fokuserar på den ljusare änden av axion-familjerna och utforskar sätt att hitta dem.

Och när dessa forskare börjar gräva in i det förutsedda beteendet hos dessa fjäderviktaxioner i det tidiga universum, finner de något verkligt anmärkningsvärt. I de tidigaste ögonblicken i vår kosmos historia genomgick universum fasövergångar och ändrade hela sin karaktär från exotiska, högenergitillstånd till regelbundna lågenergitillstånd. 

Under en av dessa fasövergångar (som hände när universum var mindre än en sekund gammal), verkade inte strängteoriens axioner som partiklar. Istället såg de ut som slingor och linjer - ett nätverk av lätta, nästan osynliga strängar som korsar hela kosmos.

Denna hypotetiska axivers, fylld med en mängd olika lätta axionsträngar, förutsägs av ingen annan fysikteori än strängteori. Så om vi bestämmer att vi lever i en axiverse, skulle det vara en viktig välsignelse för strängteorin. 

En förskjutning i ljuset

Hur kan vi söka efter dessa axionssträngar? Modeller förutspår att axionssträngar har mycket låg massa, så att ljus inte stöter in i en axion och böjs, eller att axioner sannolikt inte skulle blanda sig med andra partiklar. Det kan finnas miljoner axionsträngar som flyter genom Vintergatan just nu, och vi skulle inte se dem.

Men universum är gammalt och stort, och vi kan använda det till vår fördel, särskilt när vi inser att universum också är bakbelyst.

Den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) är det äldsta ljuset i universum som släpptes ut när det bara var ett barn - ungefär 380 000 år gammalt. Detta ljus har blötläggt universumet i alla dessa miljarder år, filtrerat genom kosmos tills det äntligen träffar något, som våra mikrovågsteleskop. 

Så när vi tittar på CMB ser vi det genom miljarder ljusårsvärde av universum. Det är som att titta på en ficklampa genom en serie spindelväv: Om det finns ett nätverk av axionssträngar gängade genom kosmos kan vi potentiellt upptäcka dem.

I en ny studie, publicerad i arXiv-databasen den 5 december, beräknade en trio av forskare effekten en axiverse skulle ha på CMB-ljus. De fann att beroende på hur lite ljus passerar nära en viss axionssträng, kan polarisationen av det ljuset förändras. Det beror på att CMB-ljuset (och allt ljus) är gjorda av vågor av elektriska och magnetiska fält, och polarisationen av ljus berättar hur de elektriska fälten är orienterade - något som förändras när CMB-ljuset möter en axion. Vi kan mäta polarisationen av CMB-ljuset genom att lämna signalen genom specialiserade filter, så att vi kan välja ut denna effekt. 

Forskarna fann att den totala effekten på CMB från ett universum fullt av strängar införde en förskjutning i polarisering som uppgick till cirka 1%, vilket är rätt på gränsen till vad vi kan upptäcka idag. Men framtida CMB-kartläggare, som Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) -satellit för studier av B-läge polarisering och inflation från kosmisk bakgrund Strålningsdetektering (LiteBIRD) och Primordial Inflation Explorer (PIXIE), håller för närvarande på att utformas. Dessa futuristiska teleskoper skulle kunna snifta ut en axiverse. Och när dessa kartläggare kommer online kommer vi antingen att upptäcka att vi lever i en axiverse eller utesluter denna speciella förutsägelse av strängteori.

Hur som helst, det finns mycket att lossa.

Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.

• Från Big Bang till nutid: Snapshots av vårt universum genom tiden
• De 11 största obesvarade frågorna om Dark Matter
• 5 Elusive Particles Beyond the Higgs

Ursprungligen publicerad den .