Частицы аксионы: Аксионы. Эксперименты по их регистрации
Содержание
Аксионы. Эксперименты по их регистрации
А.В. Журухина
1. Свойства аксионов и их роль в моделях темной материи
Основными кандидатами частиц на роль частиц темной материи являются WIMP-ы (Weakly Interacting Massive Particles – Слабо Взаимодействующие Массивные частицы). Однако параллельно с ними в теории рассматриваются аксионы – гипотетические частицы, изучение которых на настоящий момент продвигается даже успешнее из‑за хорошей перспективы их прямого экспериментального наблюдения. Они могут оказаться компонентами холодной темной материи, образованной на ранних этапах эволюции Вселенной в результате фазового перехода. Главное отличие их от WIMP‑ов заключается в массе. Аксионы (а также и некоторые другие подобные частицы, называемые общим термином WISP – Weakly Interacting Slim Particles) имеют очень маленькую массу. К кандидатам на роль частиц темной материи предъявляется три основных требования: они должны очень слабо взаимодействовать с частицами Стандартной Модели и между собой, иметь нерелятивистские импульсы, достаточные для того, чтобы образовывать астрофизические структуры (например, галактические гало, которые, как предполагают, как раз состоят из темной материи), и быть стабильными в космологических масштабах пространства‑времени. Введенные соответствующим образом аксионы удовлетворяют всем этим требованиям, причем последнее – стабильность – напрямую следует из их маленькой массы и слабости взаимодействия. В самом деле, такая масса резко уменьшает фазовое пространство и типы возможных продуктов распада, что автоматически приводит к увеличению времени жизни [1].
Ниже приведено краткое теоретическое описание их природы.
Аксионы были введены из‑за нарушения СР‑симметрии в сильных взаимодействиях [2]. Как только обнаружилось, что параметрами там являются не только константа сильного взаимодействия и массы кварков, но и величина, связанная с определителем кварковой матрицы – угловой параметр.Часть лагранжиана квантовой хромодинамики, в которой он возникает, выглядит следующим образом:
где αs – константа сильного взаимодействия, – поля глюонов. Параметр θ определяется экспериментально.
Отсюда следует, что и нарушается как Т, так и Р симметрия. Один из наиболее точных способов определения его вакуумного значения – через электрический дипольный момент нейтрона. Модуль этой величины связан с новым параметром простой линейной зависимостью
где mn – масса нейтрона, mq – массы кварков, е – заряд электрона. Экспериментальное значение этой величины составляет |dn| < 2.9·10-26e см, и это соответствует параметру |θ|10-10 .
Однако в теории нет объяснения такой маленькой его величине, предполагается, что он может быть больше, в пределах от [-π; π]. В этом состоит проблема квантовой хромодинамики, для решения которой были предложены аксионы Печеи (R. D. Peccei) и Квинн (H. R. Quinn) в 1977 году. Основная идея заключалась в следующем: мы вводим новое поле, (аксионное), которое уменьшает угловой параметр практически до нуля. Происходит это по механизму спонтанного нарушения, похожему на механизм Хиггса. То есть аксион представляет собой не что иное, как псевдо-голдстоуновский бозон, возникающий в результате спонтанного нарушения симметрии Печеи-Квинн. Забавно, что само название частице было дано по торговой марке стирального порошка, подчеркивая тот факт, что аксионы как бы «очищают» квантовую хромодинамику от проблемы с нарушением CP‑симметрии.
Частицы, описываемые введенным таким образом полем, имеют ненулевую, но очень маленькую массу. Она может быть рассчитана путем сопоставления процессов, при которых кварки и глюоны получаются как результат взаимодействия аксионов, и аналогичных процессов при более низких энергиях, когда образуются мезоны и барионы. Можно записать выражение для массы аксионов через массы кварков
Здесь вводится новая константа ƒa, называемая константой распада аксионов.
Таким образом, мы видим, что аксионы действительно представляют собой хороший пример кандидатов на роль частиц темной материи: они очень легкие и очень слабо взаимодействуют. В частности, их взаимодействие, приводящее к образованию фотонов, описываемое лагранжианом
так же мало, как и константа взаимодействия
Однако, если эта реакция все же возможна, то ее наблюдение могло бы стать доказательством существования аксионов. Для ее реализации нужны большие электромагнитные поля, которые в естественных условиях присутствуют в космической среде и которые пытаются воссоздать в лабораторных экспериментах.
Полученный в результате вклад в плотность энергии пропорционален константе распада в степени 1/6 и, в простейшем случае, достигает критической плотности энергии (по космологическим оценкам), если взять параметр ƒa = 1012 ГэВ. Из этого следует, что масса аксиона, скорее всего, лежит в области 10–5 эВ [2].
ƒa > 4·108 ГэВ
ma < 16 эВ.
На рис. 1 представлены некоторые области значений константы распада и, соответственно, массы гипотетической частицы, исследованной различными экспериментами.
Рис. 1. Исключенные области значений массы и константы распада аксионов в моделях темной материи [2].
Имеет смысл также искать аксионную темную материю в более широком диапазоне масс, потому что ограничение на нее не жесткое. Например, если после фазового перехода Печей-Квинн, в котором спонтанно нарушилась симметрия, произошла инфляция, то вклад аксионов в космологическую плотность энергии соответствует их массе в районе 10−3 – 10−2 эВ. С другой стороны, если инфляция имела место, то аксионное поле становится однородным и может достичь рекордно низких значений, до 10−5 эВ. Теория струн предполагает планковские масштабы для константы ƒa, что тоже приводит к очень маленькой массе аксионов. Она предсказывает и другие аксионо-подобные частицы в дополнение к тем, что были введены для решения СР‑парадокса. Для них в общем случае нет соотношения между константой взаимодействия и массой.
Эти аксионо-подобные частицы (axion-like particles – ALPs), гипотетически рождающиеся в вакууме, могут также составлять холодную темную материю (соответствующие области изображены на рис. 1).
2. Способы детектирования аксионов и аксионо-подобных частиц.
Электромагнитное взаимодействие аксионов, приводящее к рождению двух фотонов, дается выражением:
где F – тензор электромагнитного поля, компоненты которого пропорциональны напряженности электрического и магнитного полей. Таким образом, мы имеем:
Параметрами полей можно манипулировать в лабораторных условиях, что делается в различных экспериментах, например, с помощью микроволнового резонатора в эксперименте ADMX (Axion Dark Matter eXperiment).
Усовершенствование экспериментальной установки проекта AMDX, названное AMDX‑HF(High Frequency), должно позволить продвинуться к более высоким значениям константы распада. Это особенно перспективно из-за существующей зависимости между сечением взаимодействия и данной константой. Амплитуда процесса должна быть пропорциональна ее квадрату и, следовательно, сильно возрастать. Но проблема заключается в том, что для того, чтобы провести измерения, нужны микроволновые резонаторы с частотой, равной массе аксиона при данных условиях. А это требует создания полостей в резонаторе размером, на котором могли бы проходить осцилляции с такой длиной волны, обратно пропорциональной массе. Для аксионов в теории Великого Объединения (планковские масштабы ГэВ) резонирующие полости должны достигать метров. В качестве альтернативного варианта можно наблюдать процессы на Солнце специальными телескопами (гелиоскопами), цель которых – увидеть рождение аксионами фотонов в солнечном спектре. Рис. 2 показывает ограничения, накладываемые на константу взаимодействия на основе различных астрофизических наблюдений. Область больших масс и больших значений константы изучены лучше, чем области низких значений. Точки на диаграмме, отвечающие аксионам квантовой хромодинамики, скорее всего, недостижимы в современных лабораторных экспериментах.
Рис. 2. Логарифм константы взаимодействия аксионов и фотонов в процессе рождения фотонов, в зависимости от логарифма массы аксионов и аксионо-подобных частиц. Область, соответствующая аксионам, введенным в квантовой хромодинамике, обозначена желтой полосой. Ограничения приведены по результатам различных экспериментов, описанных в [1].
Другим важным свойством, позволяющем выдвинуть методы по экспериментальной регистрации аксионов, является то, что их поле осциллирует с частотой, равной их массе [3]. Поэтому есть проекты, в которых измеряется распределение энергии классического фонового поля. Например, как уже было упомянуто в предыдущем разделе, оператор в лагранжиане связан с изменяющимся во времени электрическим дипольным моментом. Он осциллирует на той же частоте (соответственно массе аксиона), в диапазоне 103 – 106 Гц. Но даже если частицы возникают в процессах физики сверхвысоких энергий, их масса оказывается слишком маленькой, а осцилляции момента – слишком быстрыми, чтобы их возможно было зарегистрировать в лаборатории. Поэтому данный подход к исследованию предполагает измерение временных вариаций поля на хаббловском масштабе с помощью специальных телескопов. Также, теоретически, эмиссия аксионов может привести к избытку охлаждения при взрыве сверхновых, и определенные ограничения, полученные из наблюдения SN1987A, показаны на рис. 1.
Часть лагранжиана, отвечающая за взаимодействие аксионов и аксионо-подобных частиц с образованием нуклонов выглядит следующим образом:
где gaNN − соответствующая константа связи. Она также обратно пропорциональна параметру ƒa. Данное взаимодействие имеет два основных эффекта, важных для исследования кандидатов на роль темной материи. Во‑первых, процесс приводит к потере энергии в результате эмиссии аксионоподобных частиц, в тех же сверхновых и других астрофизических объектах. Во‑вторых, будет происходить взаимодействие между нуклонами посредством обмена этой частицей, и сила взаимодействия зависит от спина. Поэтому, если использовать мишени и образцы с различной поляризацией спина, то можно искать подобные спин-спиновые взаимодействия и отсюда тоже получать ограничения на константу gaNN.
Одновременно рассмотрение взаимодействия аксионов и нуклонов выдает еще один интересный эффект, если предположить существование фонового аксионного поля темной материи. В таком случае спин нуклона будет прецессировать в результате взаимодействия вокруг оси, направленной вдоль собственного момента аксионо-подобной частицы. Гамильтониан, определяющий энергию такого процесса, запишется как:
где σN – оператор спина нуклона.
Движение Земли вокруг центра Галактики приводит к относительной скорости между ней (и составляющими ее нуклонами в ядрах вещества) и полем темной материи. И если спины нуклонов окажутся не сонаправленными с движением Земли, то они начнут прецессировать. Можно оценить амплитуду прецессии. Для этого примем галактическую скорость равной v ~ 10−3 c (с – скорость света). Собственный момент аксионов в первом приближении, если рассматривать поле темной материи как свободное скалярное поле, с моментом, осциллирующим в потенциале по закону a ≈ a0 cos(mat). Отсюда получается, что производная ∂0a имеет амплитуду a0ma, пропорциональную массе и частота также равна ma. Плотность энергии осциллирует с амплитудой , что можно пытаться регистрировать при наблюдении распределения плотности темной материи. В следующих разделах будет дано описание некоторых экспериментов по детектированию частиц темной материи с помощью различных методик, приведены схемы установок и предварительные результаты.
3. ADMXэксперимент. [4],[5]
Рис. 3. Детекторный комплекс ADMXвыглядит не слишком большим, чтобы сделать великое открытие. Это 4‑х метровый металлический цилиндр, закрепленный на стене [5].
Эксперимент ADMX (Axion Dark Matter Experiment) располагается в Центре Экспериментальной Ядерной Физики и Астрофизики (CENPA) в университете штата Вашингтон. Главная задача его – поиск холодной темной материи по методу, использующему большой свехпроводящий соленоид. Магнитное поле, создаваемое им, однородное и составляет 7,6 Тл. Согласно теории, аксионы в таких условиях должны превращаться в низкоэнергетичные фотоны. Микроволновой резонатор цилиндрической формы, радиусом 21 см и длиной 100 см используется для усиления сигнала, который затем поступает на выходную антенну. На рис. 4 изображена схема полной цепи, в которую включены еще три преобразователя: предусилитель SQUID (superconducting quantum interference device) и пара усилителей HFET (heterostructure field-effect transistor). 4 последних элемента доводят сигнал до комнатной температуры.
Рис. 4. Цепь усиления и регистрации данных, реализуемая в эксперименте ADMX[5].
На практике эксперимент требует очень больших усилий, так как вероятность превращения аксиона в фотон мала. Сигнал появляется только тогда, когда резонансная частота полости соответствует массе аксиона.
В июле 2012 года стартовала следующая стадия проекта – ADMX‑HF (Axion Dark Matter eXperiment High-Frequency), использующая тот же метод регистрации, но оптимизированная под более высокий диапазон частот. Магнитное поле соленоида было доведено до 9 Тл, а радиус и длина резонатора составили соответственно 5 см и 25 см. Вместо SQUID поставили параметрический усилитель Джосефсона (Josephson Parametric Amplifier), работающий на 4 ‑ 8 ГГц. Этот детектор нацелен на поиск аксионов в диапазоне масс 19 ÷ 24 мкэВ. Рис. 5. демонстрирует области, исключенные из рассмотрения по результатам уже проведенных наблюдений в данном проекте. ADMX также сотрудничает с такими организациями, как LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory), Флоридский университет, Калифорнийский университет в Беркли и NRAO (National Radio Astronomy Observatory).
Рис. 5. Диапазоны константы связи и массы аксионов, по данным экспериментов ADMX и ADMX‑HF.
Усилители и другая электроника в процессе работы также производят шум, и, чтобы избавиться от него, требуется собрать большую статистику. Основной фон тепловых помех возникает от резонирующей полости и от электрических приемников. Например, SQUID представляет собой тонкие кольца суперпроводящего металла, соединенных параллельно.
Рис. 6. Конструкция детектора (слева) и усилитель SQUID (справа).
4. CERN Axion Solar Telescope (CAST) [6, 7, 8]
Этот эксперимент был сконструирован для поиска аксионов в потоках от Солнца. Частицы темной материи, которые рождаются в недрах нашей звезды, взаимодействуют с образованием 2‑х фотонов одинаковой энергии. Данный факт позволяет использовать триггеры в соленоидах с сильным магнитным полем (9 Тл). Адронные аксионы – именно на них главным образом нацелен CAST – в теории составляют горячую темную материю. На рис. 7 приведены основные диаграммы, представляющие интерес для данного эксперимента. Пунктирная линия а соответствует аксиону. Эффект Примакова заключается в резонансном превращении фотона в статическом электрическом или магнитном поле (например, в поле ядра) в массивную нейтральную псевдоскалярную частицу, которой может являться в том числе аксион. Частицы, которые рождаются подобным образом, способны распадаться на два фотона и конвертироваться в фотон в электромагнитном поле (обратный эффект Примакова). Поэтому, если аксионы действительно существуют и имеют такую природу, то в регистрирующей аппаратуре детектора возникает эффект Примакова – конверсия фотона в виртуальный аксион и обратно. Что приводит к возникновению оптических свойств (двойное лучепреломление, дисперсия) у вакуума вмагнитном или электрическом поле. На данном эффекте Примакова (прямом и/или обратном) основаны многие эксперименты по поиску аксионов.
Рис. 7. Диаграммы Фейнмана основных процессов, дающих вклад в потоки аксионов от Солнца: эффект Примакова, Комптоновское рассеяние, рассеяние электрона на электроне и электрона на ионе, рекомбинация и девозбуждение.
Вклады различных процессов еще предстоит оценить, однако уже сейчас можно предположительно указать диапазоны энергий – в районе нескольких кэВ. Формулы для потоков, доступных для регистрации (в единицах 1/(м2·год кэВ) ):
где g – константы соответствующих взаимодействий, а ω – частота аксиона.
Детектор расположен в ЦЕРН в Швейцарии. Он начал сбор данных в 2003 году и проработал весь 2004 год (первая фаза проекта). Хотя CAST за это время не обнаружил частиц темной материи, он смог установить новый предел на константу взаимодействия между аксионом и фотоном. Для аксионов с массой менее 0.02 эВ ограничение составило 8.8·10−11 ГэВ−1. Вторая фаза, на которой чувствительность была увеличена, пространство между магнитами было заполнено гелием. При изменяющемся давлении газа удалось просканировать диапазон до 0,39 эВ для масс аксионов, что дало новый лимит на аксион-фотонную константу. Следующий этап продолжался с 2008 по 2011 год, когда между магнитами был помещен гелий‑3. Дополнительно была проверена область от 0.39 до 0.64 эВ. Затем в 2012 году снова применяли гелий‑4, в диапазоне масс до 0,4 эВ.
Рис. 8. Ограничения на константу взаимодействия аксиона и фотона в зависимости от массы аксиона по результатам работы эксперимента CAST.
Рис. 9. Фотография детектора.
Детектор регистрировал солнечное излучение около трех часов в день одним торцом на восходе и другим на закате. Остальную часть дня он не был направлен на Солнце и использовался для измерения фона. Сигнал от аксионов ожидался как превышение фона рентгеновских фотонов в периоды, когда Солнце светило внутрь магнита. Часть оборудования для регистрации рентгеновского излучения первоначально предназначалось для космического рентгеновского телескопа ABRIXAS, но затем было адаптировано под специфику эксперимента CAST. В коллаборации CAST работают физики из CERN и 14‑ти других научных центров Германии, Греции, Испании, Канады, России, США, Хорватии и Франции.
Литература
A. Ringwald. Exploring the Role of Axions and Other WISPs in the Dark Universe. Dark Universe 1 (2012) 116–135. arXiv:1210.5081 [hep-ph].
A. Ringwald. Ultralight Particle Dark Matter. 25th Rencontres de Blois on «Particle Physics and Cosmology», Blois, France,May 26-31, 2013. arXiv:1310.1256 [hep-ph].
P. Sikivie, N. Sullivan and D.B. Tanner. Axion Dark Matter Detection using an LC Circuit. arXiv:1311.0139, 2013.
Ian P Stern, on behalf of the ADMX and ADMX-HF collaborations. Axion Dark Matter Searches. VII International Conference on Interconnections between Particle Physics and Cosmology, Deadwood, SD, USA, 2013. arXiv:1403.5332v1, 21 Mar 2014.
Leslie J Rosenberg. ADMX: An Ultra-Sensitive Search for Axion Dark-Matter. UCLA Dark Matter 2014 Meeting February 27, 2014.
K. Barth, A. Belov, B. Beltran. CAST constraints on theaxion-electron coupling. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 05 (2013) 010. Published 9 May 2013.
F. J. Iguaz on behalf of the CAST Collaboration. The CAST experiment: status and perspectives. Identification of Dark Matter 2010-IDM2010 July 26-30, 2010. arXiv:1110.2116v1 [hep-ex] 10 Oct 2011.
Igor G. Irastorza. CERN Axion Solar Telescope (CAST). Symposium on Detector Developments for Particle, Astroparticle and Synchrotron Radiation Experiments. SLAC, Stanford, California, US, 6-10 April 2006
«Ищут давно, но не могут найти.
..»
Владислав Кобычев, Сергей Попов «Троицкий вариант» №4(173), 24 февраля 2015 года
Никому до сих пор не ведомые элементарные частицы могут открывать экспериментаторы (на ускорителях, в космических лучах или еще как), ну а могут сначала «на кончике пера» предсказать теоретики. Конечно, теоретики нередко ошибаются. Или не ошибаются… Так были предсказаны позитрон, нейтрино, бозон Хиггса… Но не все предсказанные частицы открыты. В этой статье речь пойдет о драматической судьбе аксионов.
В современной физике элементарных частиц важнейшую роль играют принципы внутренней симметрии (инвариантности) и нарушения этой симметрии. Так, при замене частиц на античастицы при инверсии знаков всех пространственных координат и при обращении хода времени законы (уравнения) могут сохраняться. Первая симметрия обозначается буквой С (charge — заряд), вторая — Р (parity — четность), третья — Т (time — время). Иногда рассматривают сразу несколько преобразований и тогда говорят о CP-симметрии или CPT-симметрии. Или об их нарушениях. Несколько десятилетий назад теоретики осознали серьезную проблему в своих построениях. CP-симметрия (известная также как комбинированная чётность) в случае сильных ядерных взаимодействий должна нарушаться, а эксперименты ничего подобного не показывают. Наблюдается лишь CP-нарушение в слабых взаимодействиях. В стандартной теории нет никакого механизма, который мог бы воспрепятствовать нарушению симметрии в сильных ядерных взаимодействиях. Более того, будь эта симметрия строгой, наша Вселенная оказалась бы совершенно не похожа на себя — в ней было бы поровну вещества и антивещества. Было высказано несколько гипотез, чтобы это объяснить. Одной из самых перспективных считался и считается механизм Печчеи—Квинн.
Эта модель вводит некую новую симметрию, а спонтанное нарушение этой симметрии предполагает существование новой частицы — аксиона. Свойства ее плохо определены. Поэтому есть большой простор для фантазии и поисков. Ясно только, что с обычной материей аксионы почти не взаимодействуют и что они массивны. А это как раз необходимые требования для любых частиц, из которых могла бы состоять темная материя — загадочная невидимая часть нашей Вселенной, многократно доминирующая над материей видимой — звездами, галактиками, межзвездным и межгалактическим газом. Поэтому гипотеза аксионов вдвойне привлекательна: можно разом убить двух зайцев — введением одной новой сущности объяснить сразу две загадки. Но, конечно, для этого сперва надо зарегистрировать эту сущность (аксион) в эксперименте, ведь одних теоретических предсказаний недостаточно, как бы красивы они ни были.
Модель Печчеи—Квинн предсказывает еще два важных свойства аксиона — спин (он должен быть нулевым) и внутреннюю чётность (она отрицательна). Частицы с такими свойствами в квантовой теории поля называются псевдоскалярами. Примером псевдоскаляра является нейтральный пи-мезон, давно известный и хорошо изученный.
Аксионы, как и все псевдоскаляры, могут распадаться на два фотона. И наоборот, два фотона (один из которых может быть виртуальным), встретившись, могут, хотя и с очень малой вероятностью, образовать аксион. Кроме того, придумано много других процессов, в которых аксионы могут рождаться, исчезать или взаимодействовать с обычными частицами. Соответственно, есть много мест и способов их поиска.
Как уже сказано, аксионы фигурируют среди кандидатов в частицы темного вещества (и даже в паре-тройке лучших претендентов на эту роль). Они могли в больших количествах возникать в ранней Вселенной. Поэтому есть идеи по астрономическим поискам реликтовых аксионов. Некоторые из них связаны с процессом Примакова.
Процесс Примакова — это превращение аксиона в статическом магнитном или электрическом поле (то есть при взаимодействии с виртуальным фотоном) в реальный фотон. И обратно. Например, реликтовые аксионы, влетая в магнитосферы нейтронных звезд, могут превращаться в фотоны (не все, конечно). Соответственно, в спектрах нейтронных звезд можно найти особенность, за которую отвечает этот процесс. Но пока не нашли.
Белые карлики могут испускать аксионы и за счет этого охлаждаться (ведь аксионы очень слабо взаимодействуют с другими частицами и поэтому могут вылетать из недр звезды почти беспрепятственно, в отличие от фотонов). Соответственно, теоретики пытаются рассчитать величину эффекта, а затем результаты расчетов связать с наблюдениями, которые дают температуру объектов с известными возрастами. Однако пока нет необходимости для введения дополнительного канала уноса энергии, то есть остывания.
Насколько реальны поиски аксионов на земных установках? Здесь можно не полагаться на реликтовые частицы. Если аксионы существуют, то звезды (в том числе и наше Солнце) могут их испускать. Есть несколько процессов, приводящих к такому необычному излучению. Во-первых, аксионы излучаются за счет процесса Примакова, а также аксион-комптоновского и аксион-тормозного излучения в плазме солнечного ядра. Эти процессы отвечают за основную долю аксионной светимости, которая может достигать процентов от полной светимости Солнца (больше нельзя, так как это войдет в противоречие с хорошо установленной стандартной солнечной моделью). У таких аксионов будет непрерывный энергетический спектр. Во-вторых, аксионы испускаются ядрами разных элементов, переходящими из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией. Таких аксионов не очень много, зато у них очень узкое распределение по энергиям, а это позволяет при поисках «отстроиться» от фона.
Установки для поиска солнечных аксионов основаны на разных принципах. Прежде всего, это тот же самый эффект Примакова. Так решили поступить в ЦЕРН. Они взяли один из тестовых магнитов для Большого адронного коллайдера и нашли ему лучшее применение — построили солнечный аксионный телескоп CAST.
Десятиметровый магнит направляют на солнце на восходе и закате (магнит можно немножко двигать, и он следит за солнцем часа по три утром и вечером). Если от Солнца летят аксионы, то, взаимодействуя с полем магнита, они превращаются в рентгеновские фотоны с энергией в несколько килоэлектронвольт, близкой к типичной тепловой энергии частиц в центре Солнца (дело в том, что ядра возбуждаются за счет взаимных столкновений, которые происходят с тепловой энергией). Их-то и пытаются зарегистрировать. Пока не получается. Но работы планируют развивать и даже сделать новый магнит, лучше подходящий для подобных опытов.
Совсем другой принцип использован в небольшом детекторе в Баксанской обсерватории. Среди ядер атомов в Солнце есть криптон-83. Эти ядра испускают аксионы определенной энергии. Если сделать детектор с таким же веществом (а оно по ряду причин очень хорошо подходит для детекторов, лучше, чем, скажем, железо, которого на Солнце намного больше), то атомы криптона в установке будут резонансно поглощать такие аксионы (ясное дело, что аксионы, испущенные криптоном-83 на Солнце, как ключ к замку подходят криптону-83 в установке — можно привести аналогию с двумя одинаковыми, настроенными в резонанс струнами — колебания одной из них заставят звучать другую). Ядро возбуждается в результате поглощения аксиона, а снимается возбуждение испусканием фотона. Фотон поглотится в рабочем теле установки, что приведет к испусканию новых электронов. Их-то и зарегистрируют… Но пока, к сожалению, увидеть ничего не удалось.
Похожий принцип использован в другой работе, где в качестве резонансной мишени, настроенной на солнечные аксионы, взято. .. всё железное ядро Земли. Точнее, только входящие в его состав ядра железа-57. Их много и на Солнце, и на Земле. И если энергия, излучаемая солнечными ядрами железа в узкой спектральной линии (речь идет о линии в энергетическом спектре аксионов), поглощается земным железом, то некоторая часть тепла, идущего из недр нашей планеты (а оно достаточно хорошо измерено), может порождаться этим процессом. Это позволяет ограничить некоторую часть возможного пространства параметров аксиона — если бы его характеристики попадали в исключенную область, то тепловой поток из недр Земли был бы выше наблюдаемого.
В некоторых термоядерных реакциях протон-протонного цикла, отвечающего за почти всё энерговыделение Солнца, тоже может возникать аксион с фиксированной энергией. Например, при слиянии протона с дейтроном (ядром изотопа водорода — дейтерия) в ядре гелия-3 обычно появляется фотон с энергией 5,5 МэВ. Но вместо фотона может образоваться аксион с такой же энергией, который беспрепятственно покидает Солнце, и его надеются регистрировать земные лаборатории.
А самый красивый метод поиска аксионов имеет и самое красивое название — «Свет сквозь стену». Одна из установок работает таким образом. Мощный импульсный лазер выдает порцию излучения, в то время как мощный импульсный магнит создает сильное поле. Если процесс Примакова работает и аксионы существуют, то часть фотонов превратится в эти частицы. Поток попадает на толстую непрозрачную пластину, фотоны поглощаются, а аксионы должны сквозь нее пройти. За пластиной еще один импульсный магнит также создает мощное поле. Часть аксионов должна превратиться обратно в фотоны. И их-то и пытаются зарегистрировать. Красиво. Но снова ничего пока не видно.
Лишь однажды участники итальянской коллаборации PVLAS заявили, что видят сигнал, соответствующий аксионам. Но через короткое время сами же участники эксперимента признали, что поспешили с выводами. Новые, более совершенные опыты показали, что сигнала нет. Тем не менее аксионы среди придуманных частиц остаются одними из лучших кандидатов на скорое обнаружение. Поэтому эксперименты продолжаются.
Частица «аксион» разгадывает три загадки Вселенной — ScienceDaily
Гипотетическая частица под названием аксион может разгадать одну из величайших загадок физики: избыток материи над антиматерией или почему мы вообще здесь.
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, при рождении нашей Вселенной встреча материи и антиматерии должна была уничтожить друг друга. Это означает, что ничего — ни Земли, ни Солнца, ни галактик, ни людей — не существовало бы. Но мы делаем.
«Существует явное противоречие со Стандартной моделью, — сказал физик Мичиганского университета и научный сотрудник с докторской степенью Рэймонд Ко. — Почему вся Вселенная заполнена материей и очень-очень мало антиматерии?»
Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет три фундаментальных взаимодействия во Вселенной: электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Электромагнетизм — это сила между любыми частицами, имеющими заряд. Слабое взаимодействие заставляет нейтроны разрушаться, а сильное взаимодействие объясняет, почему субатомные частицы, такие как нейтроны и протоны, держатся вместе.
Но в Стандартной модели есть несколько противоречий, одним из которых является дисбаланс между материей и антиматерией. Стандартная модель также не объясняет ни существование темной материи, ни наблюдаемое свойство нейтронов.
Для решения проблемы нейтронов физики в 1977 году предложили гипотетическую частицу, названную аксионом. Пять лет спустя было обнаружено, что аксион также может решить проблему темной материи. Теперь Ко и соавтор Кейсуке Харигая, исследователь из Института перспективных исследований, предполагают, что аксион может объяснить еще одну проблему: дисбаланс между материей и антиматерией. Их исследование будет опубликовано в Physical Review Letters от 17 марта.
ads
Аксион гипотетической частицы бесконечно мал — по крайней мере в миллиарды раз легче протона, и почти не взаимодействует с обычной материей. Это объясняет, почему они до сих пор не обнаружены даже с помощью приборов, позволяющих нам обнаруживать протоны, нейтроны и электроны.
Первоначально предполагалось, что аксион устраняет противоречие, называемое сильной проблемой СР. Как вы могли узнать из школьного курса физики, у электронов отрицательный заряд, у протонов положительный заряд, а у нейтронов нет заряда. Однако нейтроны состоят из более элементарных частиц, называемых кварками, у которых есть заряды. Поэтому физики ожидают, что нейтроны будут взаимодействовать с электрическим полем, говорит Ко. Но это не так. Если бы аксион существовал, он отключил бы взаимодействие между нейтронами и электрическим полем, решив сильную проблему СР.
Аксион также может быть хорошим кандидатом на темную материю, которая используется для объяснения скорости вращения галактик, что является еще одним противоречием Стандартной модели. Если бы галактики вращались с той скоростью, с которой они вращаются в настоящее время, с той силой тяжести, которую они имеют, основанной на светящейся материи — материи, которую мы можем видеть, потому что она излучает свет, — они разлетелись бы на части. Просто не хватает гравитации, чтобы удержать их вместе. Ученые предполагают, что в галактиках, которые мы не видим, должно быть огромное количество материи — например, обширное поле аксионов, — что объясняет скорость вращения галактик.
Теперь Ко и Харигая предполагают, что аксион также может быть причиной дисбаланса материи и антиматерии. Ранее физики думали, что на ранних стадиях развития Вселенной, сразу после Большого взрыва, аксионное поле изначально было статичным и начало колебаться по мере остывания Вселенной.
«Вы можете представить себе аксион в виде шарика в пластиковой бутылке из-под газировки, который совершает какие-то колебания взад-вперед вокруг самой нижней точки пластиковой бутылки из-под газировки», — сказал Ко.
Вместо этого исследователи предполагают, что аксионное поле имело более интересную динамику на этой ранней стадии. Представьте себе пластиковую бутылку из-под газировки, говорит Ко. Прежде чем катиться вперед и назад по дну бутылки, аксион вращался по кругу вокруг корпуса бутылки. Ко и Харигая предполагают, что благодаря взаимодействиям, обеспечиваемым сильным и слабым взаимодействием, вращение аксиона создает чуть больше материи, чем антиматерии. Когда материя и антиматерия объединяются, вместо полного уничтожения остается одна из 10 миллиардов частиц материи, чтобы сформировать мир, который мы видим сегодня.
«Аксион был впервые предложен физиками-теоретиками элементарных частиц, — сказал Харигая. «С тех пор физики-теоретики и экспериментальные физики элементарных частиц, астрофизики и космологи вместе изучают аксион. Мы открыли новую космологическую роль аксиона из-за вращения. Мы надеемся, что наша работа будет способствовать дальнейшему междисциплинарному исследованию».
«Люди всегда хотят знать, почему мы здесь, и это асимметрия материи-антиматерии — в техническом смысле», — сказал Ко. «И что интересно в нашей работе, так это то, что аксион дает одновременное объяснение всем трем проблемам физики элементарных частиц: темной материи, асимметрии материи-антиматерии и проблеме сильной СР. Поскольку эти проблемы не изучались одновременно в рамках аксиона, над этой темой предстоит проделать большую работу. Самое примечательное, что в ближайшем будущем этот аксионный фреймворк будет подвергнут экспериментальным испытаниям».
Будущие работы могут включать исследования гравитационных волн и происхождения массы нейтрино.
Исследование проливает свет на темную материю аксиона
Кредит: общественное достояние CC0
Ученые из Даремского университета и Королевского колледжа Лондона представили теоретический обзор нового исследования, решительно поддерживающего поиск аксионной темной материи.
Идентичность темной материи, которая составляет 85% материи во Вселенной, является одним из самых больших вопросов, оставшихся без ответа в физике элементарных частиц.
Ученые знают о его существовании из-за его гравитационного воздействия на звезды и галактики, но что это за частица, до сих пор остается загадкой.
Исследователи проанализировали, как аксионы могут быть описаны математически, и представили, как они соотносятся с фундаментальными симметриями Стандартной модели физики элементарных частиц.
Аксион объясняет, почему сильное взаимодействие — сила, связывающая вместе кварки в протонах и нейтронах — подчиняется симметрии обращения времени. Это означает, что на субатомном уровне процессы, вызванные сильным взаимодействием, выглядели бы так же, если бы направление времени было изменено на противоположное.
Почему сильное взаимодействие подчиняется симметрии обращения времени, до сих пор неизвестно. Аксион — популярное решение этой загадки.
Темная материя Аксиона ведет себя скорее как поле, покрывающее Вселенную, чем как отдельные частицы. В ранней Вселенной величина аксионного поля начинает колебаться туда-сюда. Энергия, запасенная в этих колебаниях, представляет собой аксионную темную материю.
Известно, что темная материя любого вида может очень слабо взаимодействовать со светом, иначе ее уже заметили бы ученые. Темная материя Аксиона очень слабо взаимодействует со светом, но, внимательно изучив наблюдения телескопа, исследователи смогут увидеть признаки этого взаимодействия.
Например, фотон (частица света), путешествующий через магнитное поле, с небольшой вероятностью может превратиться в аксион. Этот процесс вызовет необычные особенности в телескопических наблюдениях за галактиками, сияющими через магнитные поля.
Полный анализ исследования был опубликован в Science Advances . Сопутствующая обзорная статья — «Темная материя Аксиона: как ее увидеть?» Yannis Semertzidis и SungWoo Youn — показывает, как вскоре аксион можно будет обнаружить в лаборатории.
Соавтор исследования, доктор Франческа Чадха-Дэй, сказала: «Это очень захватывающее время, чтобы быть физиком аксионов. Никто еще не знает, что такое темная материя. надеюсь однажды разгадать эту тайну».
Исследователи надеются, что этот обзор повысит интерес и понимание физики аксионов в более широком сообществе физиков и ученых.
Дополнительная информация: Франческа Чадха-Дэй и др., Темная материя Аксион: что это такое и почему сейчас?, Science Advances (2022).
Один из
Забавно,
Для ее реализации нужны большие
Например, если после фазового
Таким образом, мы имеем:
Поэтому есть проекты, в которых измеряется распределение энергии
Она также обратно пропорциональна параметру ƒa. Данное взаимодействие
4
На данном эффекте
Для аксионов с массой менее 0.02 эВ ограничение составило 8.8·10−11 ГэВ−1.
Сигнал от аксионов ожидался как
Axion Dark Matter Searches. VII
..»
Или об их нарушениях. Несколько десятилетий назад теоретики осознали серьезную проблему в своих построениях. CP-симметрия (известная также как комбинированная чётность) в случае сильных ядерных взаимодействий должна нарушаться, а эксперименты ничего подобного не показывают. Наблюдается лишь CP-нарушение в слабых взаимодействиях. В стандартной теории нет никакого механизма, который мог бы воспрепятствовать нарушению симметрии в сильных ядерных взаимодействиях. Более того, будь эта симметрия строгой, наша Вселенная оказалась бы совершенно не похожа на себя — в ней было бы поровну вещества и антивещества. Было высказано несколько гипотез, чтобы это объяснить. Одной из самых перспективных считался и считается механизм Печчеи—Квинн.
А это как раз необходимые требования для любых частиц, из которых могла бы состоять темная материя — загадочная невидимая часть нашей Вселенной, многократно доминирующая над материей видимой — звездами, галактиками, межзвездным и межгалактическим газом. Поэтому гипотеза аксионов вдвойне привлекательна: можно разом убить двух зайцев — введением одной новой сущности объяснить сразу две загадки. Но, конечно, для этого сперва надо зарегистрировать эту сущность (аксион) в эксперименте, ведь одних теоретических предсказаний недостаточно, как бы красивы они ни были.
Кроме того, придумано много других процессов, в которых аксионы могут рождаться, исчезать или взаимодействовать с обычными частицами. Соответственно, есть много мест и способов их поиска.
Соответственно, теоретики пытаются рассчитать величину эффекта, а затем результаты расчетов связать с наблюдениями, которые дают температуру объектов с известными возрастами. Однако пока нет необходимости для введения дополнительного канала уноса энергии, то есть остывания.
Таких аксионов не очень много, зато у них очень узкое распределение по энергиям, а это позволяет при поисках «отстроиться» от фона.
.. всё железное ядро Земли. Точнее, только входящие в его состав ядра железа-57. Их много и на Солнце, и на Земле. И если энергия, излучаемая солнечными ядрами железа в узкой спектральной линии (речь идет о линии в энергетическом спектре аксионов), поглощается земным железом, то некоторая часть тепла, идущего из недр нашей планеты (а оно достаточно хорошо измерено), может порождаться этим процессом. Это позволяет ограничить некоторую часть возможного пространства параметров аксиона — если бы его характеристики попадали в исключенную область, то тепловой поток из недр Земли был бы выше наблюдаемого.
Поэтому эксперименты продолжаются.
Слабое взаимодействие заставляет нейтроны разрушаться, а сильное взаимодействие объясняет, почему субатомные частицы, такие как нейтроны и протоны, держатся вместе.
Это объясняет, почему они до сих пор не обнаружены даже с помощью приборов, позволяющих нам обнаруживать протоны, нейтроны и электроны.
Просто не хватает гравитации, чтобы удержать их вместе. Ученые предполагают, что в галактиках, которые мы не видим, должно быть огромное количество материи — например, обширное поле аксионов, — что объясняет скорость вращения галактик.
Ко и Харигая предполагают, что благодаря взаимодействиям, обеспечиваемым сильным и слабым взаимодействием, вращение аксиона создает чуть больше материи, чем антиматерии. Когда материя и антиматерия объединяются, вместо полного уничтожения остается одна из 10 миллиардов частиц материи, чтобы сформировать мир, который мы видим сегодня.
Поскольку эти проблемы не изучались одновременно в рамках аксиона, над этой темой предстоит проделать большую работу. Самое примечательное, что в ближайшем будущем этот аксионный фреймворк будет подвергнут экспериментальным испытаниям».
