Аксионы

Аксион — это гипотетическая элементарная частица, постулированная для решения так называемой CP-проблемы сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике (КХД). Аксион является псевдоскалярным бозоном, крайне слабо взаимодействующим с обычной материей, и рассматривается как один из основных кандидатов на роль тёмной материи во Вселенной. Название частицы происходит от английского «axial current» (аксиальный ток), с которым она связана, и было предложено физиком Фрэнком Вильчеком в 1978 году.

История открытия

CP-проблема сильного взаимодействия

В 1970-х годах в теоретической физике возникла проблема, связанная с нарушением CP-симметрии (комбинированной симметрии зарядового сопряжения и пространственной чётности) в сильных взаимодействиях. Согласно стандартной модели, в лагранжиане КХД допускается член, нарушающий CP-симметрию, который параметризуется углом θ (тета). Экспериментальные измерения, в частности, электрического дипольного момента нейтрона, показали, что этот угол чрезвычайно мал (θ < 10⁻¹⁰), что не объяснялось никакими естественными причинами. Это расхождение между теоретическими ожиданиями и наблюдениями получило название «сильная CP-проблема».

Предложение Печчеи — Куинн

В 1977 году физики Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили механизм, который автоматически обнулял бы CP-нарушающий член. Они ввели новую глобальную симметрию (U(1)PQ), спонтанное нарушение которой при высоких энергиях приводило бы к тому, что эффективный угол θ становится равным нулю. Однако нарушение симметрии порождает новое безмассовое поле — голдстоуновский бозон.

Предсказание аксиона

В 1978 году независимо друг от друга Стивен Вайнберг и Фрэнк Вильчек показали, что этот голдстоуновский бозон не является полностью безмассовым из-за эффектов КХД, а приобретает очень малую массу. Вильчек назвал эту частицу «аксионом». Первоначальная модель (так называемый «стандартный аксион» Печчеи — Куинн — Вайнберга — Вильчека) была быстро исключена экспериментально, так как предсказывала слишком сильное взаимодействие с обычной материей. Это привело к разработке «невидимых» моделей аксиона, таких как модель Ким — Шифмана — Вайнштейна — Захарова (KSVZ) и модель Дайна — Фишлера — Срединского — Житницкого (DFSZ), в которых аксион взаимодействует с материей крайне слабо.

Физические свойства

Масса и константа распада

Масса аксиона (mₐ) обратно пропорциональна константе распада аксиона (fₐ) — энергетическому масштабу, на котором нарушается симметрия Печчеи — Куинн. Соотношение имеет вид: mₐ ≈ (6 мэВ) × (10⁶ ГэВ / fₐ). В моделях «невидимого аксиона» fₐ очень велика (порядка 10⁹–10¹² ГэВ), что приводит к чрезвычайно малой массе аксиона (от 10⁻⁶ до 10⁻³ эВ).

Взаимодействия

Аксион чрезвычайно слабо взаимодействует с обычной материей. Основные типы взаимодействий:

• Взаимодействие с фотонами: аксион может превращаться в два фотона в присутствии сильного магнитного поля (эффект Примакова) и, наоборот, два фотона могут порождать аксион.
• Взаимодействие с фермионами: аксион может обмениваться с электронами и кварками, но эти взаимодействия сильно подавлены.
• Взаимодействие с глюонами: аксион связан с глюонным полем, что и обеспечивает решение CP-проблемы.

Время жизни

Аксионы являются стабильными частицами на космологических масштабах времени. Их время жизни значительно превышает возраст Вселенной, что делает их идеальными кандидатами на роль тёмной материи.

Роль в космологии

Аксионы как тёмная материя

Аксионы, рождённые в ранней Вселенной, могли бы составлять значительную часть тёмной материи. Существует два основных механизма их рождения:

1. Термическое рождение: аксионы могли рождаться в горячей плазме ранней Вселенной, но их вклад в плотность тёмной материи незначителен.
2. Нетепловое рождение (вакуумный конденсат): при фазовом переходе, связанном с нарушением симметрии Печчеи — Куинн, поле аксиона образует конденсат. Этот процесс, известный как «механизм мизерного угла», может производить огромное количество холодных аксионов, которые ведут себя как нерелятивистская тёмная материя.

Космологические ограничения

Если бы аксионы существовали, они могли бы влиять на эволюцию звёзд. Например, аксионы могли бы уносить энергию из недр красных гигантов и сверхновых, что привело бы к изменению наблюдаемых звёздных процессов. Наблюдения за охлаждением белых карликов и нейтринным сигналом от сверхновой SN 1987A накладывают жёсткие ограничения на массу и константу взаимодействия аксиона.

Экспериментальные поиски

Принцип поиска

Поиск аксионов основан на их способности превращаться в фотоны в сильном магнитном поле. Если аксион является тёмной материей, то Земля постоянно пронизывается потоком этих частиц. В лабораторных условиях пытаются зарегистрировать фотоны, возникающие при конверсии аксионов.

Основные эксперименты

• ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) — эксперимент в Вашингтонском университете (США), использующий резонансный криогенный полость в сильном магнитном поле. ADMX является наиболее чувствительным экспериментом по поиску аксионов в диапазоне масс от 1 до 100 мкэВ.
• CAST (CERN Axion Solar Telescope) — эксперимент в ЦЕРНе, направленный на поиск аксионов, которые могли бы рождаться в ядре Солнца. CAST использует магнит от протонного синхротрона LHC.
• IAXO (International Axion Observatory) — планируемый эксперимент нового поколения, который будет на порядки чувствительнее CAST.
• HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM) — эксперимент в Йельском университете, использующий технологию, аналогичную ADMX.
• MADMAX (Magnetized Disc and Mirror Axion eXperiment) — проект в Германии, основанный на использовании диэлектрических дисков для усиления сигнала.

Косвенные поиски

Помимо прямых лабораторных экспериментов, аксионы ищут в астрофизических наблюдениях. Например, если аксион распадается на два фотона, это может создавать монохроматический сигнал в рентгеновском диапазоне от скоплений галактик. Также изучается возможное влияние аксионов на прозрачность Вселенной для гамма-лучей от далёких источников.

Теоретические альтернативы

Несмотря на то, что аксион является наиболее популярным решением сильной CP-проблемы, существуют и другие гипотезы. Например, модель с безмассовым кварком u (верхним) также могла бы решить проблему, но она противоречит экспериментальным данным по массам адронов. Другая альтернатива — нарушение CP-симметрии в сильных взаимодействиях может быть динамически подавлено без введения новой частицы, но такие модели менее разработаны.

Интересные факты

• Аксион является единственным кандидатом на тёмную материю, который имеет твёрдое теоретическое обоснование, не связанное с космологией (решение проблемы в физике элементарных частиц).
• Если аксион существует, он может быть обнаружен в ближайшие 10–15 лет с помощью экспериментов нового поколения, таких как IAXO или MADMAX.
• В некоторых моделях аксион может обладать свойствами, позволяющими ему образовывать «аксионные звёзды» или «аксионные облака» вокруг чёрных дыр.

Источники

• Peccei, R. D.; Quinn, H. R. (1977). «CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles». Physical Review Letters.
• Weinberg, S. (1978). «A New Light Boson?». Physical Review Letters.
• Wilczek, F. (1978). «Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons». Physical Review Letters.
• Kim, J. E. (1979). «Weak-Interaction Singlet and Strong CP Invariance». Physical Review Letters.
• Shifman, M. A.; Vainshtein, A. I.; Zakharov, V. I. (1980). «Can confinement ensure natural CP invariance of strong interactions?». Nuclear Physics B.
• Dine, M.; Fischler, W.; Srednicki, M. (1981). «A simple solution to the strong CP problem with a harmless axion». Physics Letters B.
• Sikivie, P. (1983). «Experimental Tests of the "Invisible" Axion». Physical Review Letters.
• Raffelt, G. G. (1996). «Stars as Laboratories for Fundamental Physics». University of Chicago Press.
• Asztalos, S. J. et al. (2010). «SQUID-Based Microwave Cavity Search for Dark-Matter Axions». Physical Review Letters.
• Irastorza, I. G.; Redondo, J. (2018). «New experimental approaches in the search for axion-like particles». Progress in Particle and Nuclear Physics.