Вселенная может быть пронизана паутиной невидимых струн

Мы живем в аксивселенной?

На сегодняшний день теория струн считается самой успешной попыткой создать “теорию всего”. И она предсказывает, что Вселенная наполнена сотнями видами почти невидимых частиц, которые давным давно окутали пространство тонкой “паутиной” струн. Эти странные, пока что гипотетические маленькие частицы называют аксионами.

Если нам удастся их найти, это станет доказательством того, что мы живем в огромной “аксивселенной”.

Огромный плюс этой теории в том, что ее все же можно протестировать. Эту огромную сеть струн астрономы надеются засечь в ближайшем будущем с помощью микроволновых телескопов, разработка которых уже идет полным ходом.

Открытие, а точнее подтверждение существования аксивселенной станет огромным шагом в нашем понимании… всего.

Симфония струн

Сначала разберемся с терминологией. Считается, что аксион получается из спонтанного нарушения симметрии.

Согласно CP-симметрии, материя и антиматерия должны вести себя одинаково, если обратить координаты. Но эта симметрия никак не хочет укладываться в теорию о сильном ядерном взаимодействии. Задачку можно разрешить введением еще одной симметрии, которая бы “исправляла” несоответствие. Вот только новая симметрия должна существовать лишь в условиях высоких энергий. А в обычной жизни она исчезает, и на ее месте появляется новая частица — тот самый аксион.

Теория струн — это попытка объединить все силы природы в единую теорию. Для того, чтобы теория струн работала (другими словами, математические вычисления давали реалистичные результаты), наша Вселенная должна иметь больше измерений. Трех измерений пространства и одного измерения времени недостаточно. Должны быть дополнительные измерения пространства.

Эти дополнительные измерения мы не видим — иначе мы бы давно догадались об их существовании. Видимо, они очень малы и закручиваются сами в себя. Причем мы не уверены, как именно они это делают — существует около 10²⁰⁰ возможных вариантов.

Зато у всех этих измерений должна быть общая черта — аксионы. Аксионы, которые крутятся у таких свернутых измерений и застревают в них. Теория струн предсказывает существование сотен разных видов аксионов разной массы.

Аксионные струны

И вот у нас есть множество новых теоретических частиц с разными массами. Может ли из них состоять темная материя? Теоретически, да. Но идея аксионы-есть-темная-материя предполагает проведение довольно сложных наблюдений, поэтому ученые предпочитают фокусироваться на изучении легких аксионов и способов их засечь.

Изучение предполагаемого поведения этих легких аксионов привело ученых к самым первым моментам истории нашего космоса. Тогда Вселенная несколько раз преобразовалась — из хаотичной и высокоэнергетической она стала более спокойной и привычной нам.

Во время одного из этих преобразований, произошедшего в первую секунду, аксионы теории струн были не частицами, а завитками и линиями — сетью легких, почти невидимых струн.

Это и есть гипотетическая аксивселенная, наполненная легкими струнами аксионов. Если удастся доказать ее существование, то популярность теории струн резко возрастет.

Сдвиг света

Как же нам найти эти струны? Согласно моделям, у аксионов должна быть очень маленькая масса. Настолько маленькая, что они не искривляют свет и не взаимодействуют с другими частицами. 

Вселенная огромна, стара и подсвечивается снаружи. Всё это мы можем использовать.

Реликтовое излучение появилось, когда нашей Вселенной было всего 380 000 лет. Когда мы всматриваемся в это излучение, мы, по сути, смотрим сквозь миллиарды лет эволюции. И, теоретически, мы можем разглядеть сеть аксионов.

Недавно ученые рассчитали то, какой эффект будет оказывать аксивселенная на реликтовое излучение. Согласно их расчетам, вблизи аксионной струны поляризация света может изменяться. Теоретически, мы можем измерить поляризацию и вычислить положение струн.

В общей сложности вся Вселенная струн должна изменять поляризацию реликтового излучения всего на 1%. Чуть меньше, и мы бы не смогли засечь такое изменение разрабатываемыми сегодня аппаратами — Cosmic Origins Explorer, LiteBIRD и PIXIE.

Так что ждем их запуска.

— 
Научная статья A CMB Millikan Experiment with Cosmic Axiverse Strings пока что не прошла рецензирование, но выложена в открытый доступ на
arXiv:1912.02823.

Материал написан по статье Пола Саттера, астрофизика из Университета Огайо.