Аксион

Аксион — это гипотетическая элементарная частица, постулированная в 1977 году для решения так называемой CP-проблемы в квантовой хромодинамике (КХД). Аксион является псевдоскалярным бозоном, электрически нейтральным и крайне слабо взаимодействующим с обычной материей. В современной физике аксион рассматривается как один из наиболее перспективных кандидатов на роль частицы тёмной материи.

История открытия

CP-проблема в квантовой хромодинамике

В 1970-х годах стало ясно, что сильное взаимодействие, описываемое КХД, в принципе допускает нарушение комбинированной чётности (CP-симметрии). Теоретически это нарушение должно было бы проявляться в существовании электрического дипольного момента у нейтрона, однако экспериментальные измерения не обнаружили его, установив чрезвычайно малый верхний предел. Это несоответствие между теоретическими предсказаниями и экспериментальными данными получило название «сильная CP-проблема».

Постулирование аксиона

В 1977 году американские физики Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили механизм, который автоматически обнуляет CP-нарушающий член в лагранжиане КХД. Этот механизм предполагал существование нового глобального U(1)-симметрии, названной симметрией Печчеи — Куинн. В том же году Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг независимо друг от друга показали, что спонтанное нарушение этой симметрии должно приводить к появлению новой частицы — аксиона. Название «аксион» было предложено Вильчеком от слова «аксиальный» (аксиальный ток) и названия моющего средства «Axion» — за способность частицы «убирать» проблему.

Первые поиски и эволюция теории

Первоначально предполагалось, что аксион должен иметь массу порядка 100 кэВ/с² и относительно сильное взаимодействие с материей. Однако экспериментальные поиски в конце 1970-х — начале 1980-х годов не обнаружили такой частицы. Это привело к развитию так называемых «невидимых» моделей аксиона, в которых его масса значительно меньше, а взаимодействие с обычной материей чрезвычайно слабо. Наиболее известными моделями такого типа являются модель Ким — Шифмана — Вайнштейна — Захарова (KSVZ) и модель Дайна — Фишлера — Средински — Житницкого (DFSZ).

Физические свойства

Масса и константы взаимодействия

Масса аксиона не предсказывается фундаментальной теорией однозначно, но обратно пропорциональна масштабу нарушения симметрии Печчеи — Куинн (f_a). Чем больше этот масштаб, тем легче аксион. Наиболее вероятный диапазон масс, согласно астрофизическим и космологическим ограничениям, составляет от 10⁻⁶ до 10⁻³ эВ/с². Взаимодействие аксиона с обычной материей (фотонами, электронами, нуклонами) пропорционально 1/f_a, что делает его чрезвычайно слабым для легких аксионов.

Взаимодействие с фотонами

Одним из ключевых свойств аксиона является его способность конвертироваться в фотон и обратно в присутствии сильного магнитного поля (эффект Примакова). Этот процесс лежит в основе большинства экспериментальных методов поиска аксионов. Константа связи аксион-фотон (g_aγ) является одним из основных параметров, которые стремятся измерить экспериментаторы.

Взаимодействие с нуклонами и электронами

Аксион может взаимодействовать с нуклонами (протонами и нейтронами), что приводит к появлению у них электрического дипольного момента, хотя и чрезвычайно малого. Взаимодействие с электронами также возможно, но оно сильно подавлено в большинстве моделей.

Роль в космологии

Аксион как тёмная материя

Аксионы являются одним из наиболее популярных кандидатов на роль частиц холодной тёмной материи. В ранней Вселенной, после фазового перехода, связанного с нарушением симметрии Печчеи — Куинн, аксионное поле начинает когерентно осциллировать. Эти осцилляции ведут себя как нерелятивистская материя, которая может составлять значительную часть тёмной материи в галактиках. Масса аксиона, необходимая для объяснения наблюдаемой плотности тёмной материи, составляет порядка 10⁻⁵ эВ/с².

Аксионные мини-звёзды

Теоретически предполагается, что аксионы могут образовывать связанные состояния — аксионные звёзды (или аксионные мини-звёзды), которые могут быть источниками узкополосного радиоизлучения. Поиск таких объектов является одной из задач радиоастрономии.

Экспериментальные поиски

Наземные эксперименты

Наиболее известным экспериментом по поиску аксионов является ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) в США. Он использует сильное магнитное поле и резонансный полость для конверсии аксионов тёмной материи в микроволновые фотоны. Другие эксперименты, такие как CAST (CERN Axion Solar Telescope) и IAXO (International Axion Observatory), ищут аксионы, которые могут рождаться в недрах Солнца.

Поиски в коллайдерах

На ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, также ведутся поиски аксионов. Однако из-за чрезвычайно слабого взаимодействия их прямое рождение маловероятно. Вместо этого ищутся процессы, в которых аксион может рождаться в паре с фотоном или другими частицами.

Астрофизические ограничения

Наблюдения за охлаждением белых карликов и нейтронных звёзд накладывают серьёзные ограничения на свойства аксионов. Если бы аксионы существовали и взаимодействовали с материей достаточно сильно, они бы уносили энергию из этих звёзд, что привело бы к их более быстрому охлаждению, чем наблюдается. Отсутствие такого эффекта позволяет исключить значительную часть возможных параметров аксиона.

Критика и альтернативы

Несмотря на свою элегантность, аксионная гипотеза не является единственным решением сильной CP-проблемы. Существуют альтернативные подходы, такие как механизм Нельсон — Барра, который предполагает существование дополнительных кварков. Кроме того, отсутствие экспериментальных подтверждений существования аксиона за более чем 40 лет поисков заставляет некоторых физиков сомневаться в его реальности. Однако подавляющее большинство теоретиков считают аксион одним из наиболее обоснованных и перспективных кандидатов на новую физику за пределами Стандартной модели.

Источники

• Peccei, R. D., & Quinn, H. R. (1977). CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles. Physical Review Letters, 38(25), 1440–1443.
• Weinberg, S. (1978). A New Light Boson? Physical Review Letters, 40(4), 223–226.
• Wilczek, F. (1978). Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons. Physical Review Letters, 40(5), 279–282.
• Kim, J. E. (1979). Weak-Interaction Singlet and Strong CP Invariance. Physical Review Letters, 43(2), 103–106.
• Shifman, M. A., Vainshtein, A. I., & Zakharov, V. I. (1980). Can confinement ensure natural CP invariance of strong interactions? Nuclear Physics B, 166(3), 493–506.
• Dine, M., Fischler, W., & Srednicki, M. (1981). A simple solution to the strong CP problem with a harmless axion. Physics Letters B, 104(3), 199–202.
• Zhitnitsky, A. R. (1980). On possible suppression of the axion hadron interactions. Soviet Journal of Nuclear Physics, 31, 260.
• Sikivie, P. (1983). Experimental Tests of the "Invisible" Axion. Physical Review Letters, 51(16), 1415–1417.
• Preskill, J., Wise, M. B., & Wilczek, F. (1983). Cosmology of the invisible axion. Physics Letters B, 120(1-3), 127–132.
• Abbott, L. F., & Sikivie, P. (1983). A cosmological bound on the invisible axion. Physics Letters B, 120(1-3), 133–136.