액시온이란것은, 중성미자와 그림자 물질 등과함께 암흑 물질의 정체 후보로 꼽히고있는 알려지지 않은 소립자이다. 그런 액시온이, "우주가 현재의 모습이 된 이유" 등의 큰 난제를 푸는 열쇠가 될 것이라는 학설이 발표되었다.
액시온에는 우주의 세가지 수수께끼를 푸는 열쇠가 숨겨져 있다는 설을 발표 한 미시간 대학의 물리학자 인 Raymond Co 씨와 프린스턴 고등 연구소의 소립자 물리학자 하리가야 게이스케 씨이다. 두 사람은 "우주의 본연의 자세를 설명하는 현재의 표준 이론에는, 명백한 모순이 존재하고 있습니다"라고 지적하고있다.
액시온이 열쇠를 쥐고 있다고 말해지고있는 것이 다음의 3가지 수수께끼이다.
■ 수수께끼 1 : 강한 CP 문제
원래 액시온은, 소립자 물리학의 미해결 문제인 "강한 CP 문제"를 설명하기위해 고안된 입자이다. 원자를 구성하는 양성자와 전자에는 각각 양극과 음극의 전하가 있고, 중성자는 전하가 없다. 그러나, 중성자를 구성하는 쿼크에는 전하가 있기 때문에, 본래라면 전기장과 상호 작용을 일으킬 것이지만, 실제로는 상호 작용이 확인되지 않고있다.
이 "강한 CP 문제"는 표준 이론만으로는 잘 설명 할 수 없지만, 액시온이 존재한다고 가정된 경우에는, 중성자와 전계와의 상호 작용이 일어나지 않기 때문에, 문제가 발생하지 않는 것이다라는 것.
■ 수수께끼 2 : 암흑 물질의 정체
또한, 액시온은 암흑 물질의 정체로도 기대되고있다. 관측 가능한 우주의 물질을 긁어 모아도, 전 우주에 존재하는 질량과 에너지의 총합의 5%에 불과하고, 나머지의 95%는 알 수 없다. 만일 암흑 물질이 존재한다면, 95% 중 25%는 설명 할 수 있지만, 표준 이론에는 암흑 물질의 후보가되는 입자가 없다.
만약 암흑 물질이 존재하지 않으면, 중력 부족으로 은하의 별들이 뿔뿔이 흩어져 버리고, 은하는 지금의 형태를 유지할 수 없다. 그래서 등장한 것이 액시온이다. 다른 물질과 상호 작용을 일으키지 않을정도의 질량이 작다고하는 액시온이지만, 이 액시온으로 은하계가 채워져있으면, 은하가 지금의 형태로 되어있다는 것을 설명 할 수있다.
■ 수수께끼3 : 물질의 존재
그리고, 가장 근본적인 문제는 "왜 우주에 물질이 존재 할 수있는가?"라는 것. 우주가 시작되었다고하는 대폭발 빅뱅에서는, 물질과 반물질이 같은 양만큼 발생했다고 간주한다. 그러나 물질과 반물질이 충돌하면 대소멸을 일으켜 엄청난 에너지와 함께 질량이 소멸 해 버리기 때문에, 만약 물질과 반물질의 양이 같았다고 한다면, 눈에 보이는 우주는 존재하지 않고, 인류는 태어나지도 않았다.
이 "물질과 반물질의 비대칭성"이라는 수수께끼의 해답이 되는것이 액시온의 존재이다. Co 씨와 게이스케 씨는, 초기의 초고온 우주가 식기 시작했을 때, 액시온이 진동을 시작한 것으로, 물질이 반물질보다 약간 많이 탄생했을 가능성이 높다는 것을 밝혀냈다. 이 액시온의 운동에 의해 만들어진 "반물질을 상회하는 물질의 양"은 반물질의 100억분의 1정도라도 되어있지만, 그래도 지금의 우주의 모습을 설명하기에 충분한 양이라는 것.
우주의 탄생에 관한 액시온의 움직임을, 두 사람은 "Axiogenesis"라고 명명했다. Co 씨는 "초기 우주의 액시온의 움직임은 마치 페트병의 바닥을 회전하는 돌 구슬 같은 것입니다. 액시온이 동그라미를 그리며 회전하여 생긴 진동으로 현재의 우주를 형성한 물질이 발생했습니다"라고 설명.
Co 씨는 또한, "사람은 항상, "왜 내가 여기있을까?"의 이유를 계속 물었습니다. 소립자 물리학의 관점에서 보면, 이 질문은 "왜 물질과 반물질이 비대칭인가?"라는 것입니다만, 그 대답이되는 것이 액시온입니다. 액시온에 관한 우리의 발견은, 이 문제를 포함한 3가지 수수께끼를 동시에 설명할 수 있습니다"라고...