Аксион

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Аксион (A0
 или a)
Состав Элементарная частица
Семья Бозон
Группа Голдстоуновский бозон
Участвует во взаимодействиях Электромагнитное,
гравитационное
Статус Гипотетическая
Масса От 10−18 до 1 МэВ/c2
Каналы распада A0
 → γ + γ
Теоретически обоснована 1977, Роберто Печчеи и Хелен Квинн
Квантовые числа
Электрический заряд 0
Спин 0 ħ
Внутренняя чётность −
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Аксио́н (англ. axion от axial + -on[1]) — гипотетическая нейтральная[2] псевдоскалярная элементарная частица, квант поля, постулированного для сохранения CP-инвариантности в квантовой хромодинамике в 1977 году Роберто Печчеи (R. D. Peccei) и Хелен Квинн (H. R. Quinn)[3][4] (см. Теория Печчеи — Квинн). Аксион должен представлять собой псевдоголдстоуновский бозон, возникающий в результате спонтанного нарушения симметрии Печчеи — Квинн.

Название

[править | править код]

Название частице дано Фрэнком Вильчеком[5] по торговой марке стирального порошка[6], так как аксион должен был «очистить» квантовую хромодинамику от проблемы сильного CP-нарушения, а также из-за связи с аксиальным током. Стивен Вайнберг, независимо от Вильчека (но на неделю позже) предположивший[7] существование этих частиц, хотел дать им название «хигглет» (higglet), однако после обсуждения с Вильчеком согласился с «аксионом»[8].

Свойства аксионов

[править | править код]

Аксион должен распадаться на два фотона[2], его масса зависит от величины вакуумного ожидания полей Хиггса V как ~1/V. В оригинальной теории Печчеи — Квинн V ~ 100 ГэВ и масса аксиона ~ 100 кэВ, что, однако, противоречит экспериментальным данным по распаду кваркониев — ψ- и Υ-мезонов, состоящих из однотипных кварка и антикварка. В модифицированной в рамках Великого Объединения теории значения V значительно выше, и аксион должен быть очень слабо взаимодействующей с барионным веществом[2] частицей малой массы. Существуют работы, вводящие шкалу масс, связанную с массой аксиона, значительно выше V; это приводит к значительно меньшей константе связи аксиона с другими полями и решает проблему ненаблюдения этой частицы в существующих экспериментах. Широко обсуждаются две модели такого рода. В одной из них вводятся новые кварки, несущие (в отличие от известных кварков и лептонов) заряд Печчеи — Квинн и связанные с так называемым адронным аксионом (или KSVZ-аксионом, аксионом Кима — Шифмана — Вайнштейна — Захарова)[9]. Во второй модели (так называемый GUT-аксион, DFSZ-аксион, или аксион Дайна — Фишлера — Средницкого — Житницкого)[10] отсутствуют дополнительные кварки, все кварки и лептоны несут заряд Печчеи — Квинн и, кроме того, необходимо существование двух хиггсовских дублетов.

Аксион рассматривается как один из кандидатов на роль частиц, составляющих «тёмную материю»[2][11] — небарионную составляющую скрытой массы в космологии.

В течение 2003—2004 годов был выполнен поиск аксионов с массой до 0,02 эВ. Аксионы обнаружить не удалось и был определён верхний предел константы фотон-аксионного взаимодействия < 1,16⋅10−10 ГэВ−1 [источник не указан 4855 дней].

Астрофизические ограничения на массу аксиона и его константу связи с фотоном получены из наблюдаемой скорости потери энергии звёздами (красными гигантами, сверхновой SN1987A и т. д.). Рождение аксионов в недрах звезды привело бы к её ускоренному охлаждению[12], аналогично процессу нейтринного охлаждения.

Эксперименты по обнаружению

[править | править код]

Аксионы, летящие от Солнца, в магнитном поле Земли могут за счёт обратного эффекта Примакова превращаться в фотоны с энергией рентгеновского диапазона. В данных европейского космического рентгеновского телескопа XMM-Newton (Multi Mirror Mission) было обнаружено, что интенсивность рентгеновского излучения, зарегистрированного зондом из области сильного магнитного поля на солнечной стороне Земли, несколько выше сигнала от магнитосферы с теневой стороны планеты. Если учесть все известные источники рентгеновского излучения, то фоновый сигнал должен быть одинаковым из областей с сильным и слабым полем[13]. Один из возможных механизмов нагрева Солнечной короны — излучение Солнцем аксионов или аксионоподобных частиц, которые превращаются в фотоны в областях с сильным магнитным полем[14].

С 2003 г. в ЦЕРНе проводится эксперимент CAST (CERN Axion Solar Telescope)[15] по обнаружению аксионов, предположительно испускаемых вследствие эффекта Примакова разогретой до ~15⋅106 K плазмой солнечного ядра. Детектор основан на обратном эффекте Примакова — превращении аксиона в фотон, индуцированном магнитным полем. Проводятся и другие эксперименты, направленные на поиск потока аксионов, излучаемых ядром Солнца.

Эксперимент ADMX (Axion Dark Matter Experiment)[16][17] проводится в Ливерморской национальной лаборатории (Калифорния, США) с целью поиска аксионов, предположительно образующих невидимое гало нашей Галактики. В этом эксперименте используется сильное магнитное поле для конверсии аксионов в радиочастотные фотоны; процесс усиливается с помощью резонансной полости, настраиваемой на частоты в диапазоне от 460 до 810 МГц, в соответствии с предсказываемой массой аксиона[18].

Авторы эксперимента PVLAS в 2006 заявили про обнаружение двойного лучепреломления и поворота плоскости поляризации света в магнитном поле, что было интерпретировано как возможное возникновение реальных или виртуальных аксионов в пучке фотонов. Однако в 2007 авторы объяснили эти результаты как следствие некоторых неучтённых эффектов в экспериментальной установке [источник не указан 4855 дней].

В настоящее время в ЦЕРНе идёт разработка четвёртого поколения солнечного гелиоскопа IAXO — the International Axion Observatory[19].

В 2014 году астроном британского Университета Лестера Джордж Фрейзер (George Fraser) и его соавторы заявили, что обнаружили косвенные подтверждения существования аксионов в данных космического рентгеновского телескопа XMM-Newton[13].

В 2018 году опубликовано[11] описание эксперимента по обнаружению аксионов за счёт измерения прецессии спина электрона.

В 2020 году учёные Университета Кембриджа (Великобритания) смогли подтвердить ошибочность некоторых разновидностей теории струн, которые предсказывали существование аксионов с определёнными характеристиками. При этом, учёные не исключают вероятности, что могут существовать аксионоподобные частицы с более низкими значениями конвертируемости, остающиеся недоступными для современных методов наблюдения[20].

В июне 2020 года коллаборация XENON сообщила, что в их установке XENON1T в низкоэнергетической (1...30 кэВ) области спектра электронов отдачи было зарегистрировано 285 событий, что на 53 штуки, или на 3,5σ, больше, чем предсказано теорией. Были рассмотрены три возможных объяснения: существование гипотетических солнечных аксионов, наличие у нейтрино магнитного момента 7⋅10-11 μB или загрязнение детектора тритием в ультраследовых количествах. Пока недостаточно данных для однозначного выбора из одного из этих трёх объяснений, обновление эксперимента до XENONnT в будущем должно будет решить эту проблему[21][22].

В январе 2021 было обнаружено жёсткое рентгеновское излучение, исходящее от изолированных нейтронных звёзд знаменитой Великолепной семёрки, источником этого излучения могут быть аксионы, распадающиеся на два фотона в сильных магнитных полях нейтронных звёзд[23].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Dictionary.com, "axion, " in Online Etymology Dictionary. Source: Douglas Harper, Historian. http://dictionary.reference.com/browse/axion Архивная копия от 28 марта 2012 на Wayback Machine. Accessed: February 11, 2012.
  2. ↑ 1 2 3 4 Александр Березин. Аксионы, быть может, уже обнаружены. Компьюлента-Онлайн (6 декабря 2013). Дата обращения: 30 декабря 2013. Архивировано 30 декабря 2013 года.
  3. ↑ Peccei R. D., Quinn H. R. CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles (англ.) // Physical Review Letters. — 1977. — Vol. 38. — P. 1440—1443. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.38.1440. — Bibcode: 1977PhRvL..38.1440P. [исправить]
  4. ↑ Peccei R. D., Quinn H. R. Constraints imposed by CP conservation in the presence of pseudoparticles // Physical Review D. — 1977. — Vol. 16. — P. 1791—1797. — ISSN 0556-2821. — doi:10.1103/PhysRevD.16.1791. — Bibcode: 1977PhRvD..16.1791P. [исправить]
  5. ↑ Wilczek F. Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons // Physical Review Letters. — 1978. — Vol. 40. — P. 279—282. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.40.279. [исправить]
  6. ↑ Wilczek F. Nobel Lecture: Asymptotic freedom: From paradox to paradigm // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2005. — Vol. 102. — P. 8403—8413. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.0501642102. [исправить];
    Существует русский перевод: Вильчек Ф. А. Асимптотическая свобода: от парадоксов к парадигмам. (Нобелевская лекция. Стокгольм, 8 декабря 2004 г.) // Успехи физических наук. — 2005. — Т. 175, вып. 12. — С. 1325—1337. — ISSN 0042-1294. — doi:10.3367/UFNr.0175.200512g.1325. [исправить].
    Цитата: «particles, axions. (I named them after a laundry detergent, since they clean up a problem with an axial current.)»
    Перевод: «частиц — аксионов. (Я назвал их в честь моющего средства, поскольку они расчистили проблему с аксиальными токами.)»
  7. ↑ Weinberg S. A New Light Boson? // Physical Review Letters. — 1978. — Vol. 40. — P. 223—226. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.40.223. [исправить]
  8. ↑ Wilczek F. Time’s (Almost) Reversible Arrow // Quanta Magazine. — January 7, 2016. Архивировано 12 сентября 2017 года.
  9. ↑ J.E. Kim, Phys. Rev. Lett. 43 (1979), p. 103;
    M.A. Shifman, A.I. Vainstein, and V.I. Zakharov, Nucl. Phys. B 166 (1980), p. 493.
  10. ↑ A.R. Zhitnitsky, Sov. J. Nucl. Phys. 31 (1980), p. 260;
    M. Dine, W. Fischler, and M. Srednicki, Phys. Lett. B 104 (1981), p. 199
  11. ↑ 1 2 Прецессия спина электрона поможет найти аксионы, 12.07.2018. Дата обращения: 20 июля 2018. Архивировано 20 июля 2018 года.
  12. ↑ http://www.springerlink.com/index/N510QL1R33X37427.pdf (недоступная ссылка) Astrophysical axion bounds. G Raffelt — Axions, 2008 — Springer.
  13. ↑ 1 2 Ищут давно, но не могут найти Архивная копия от 17 апреля 2015 на Wayback Machine / Владислав Кобычев, Сергей Попов // «Троицкий вариант» № 4 (173), 24 февраля 2015 года
  14. ↑ The enigmatic Sun: a crucible for new physics. Дата обращения: 27 сентября 2014. Архивировано 17 февраля 2015 года.
  15. ↑ Сайт эксперимента CAST (CERN Axion Solar Telescope). Дата обращения: 2 сентября 2005. Архивировано из оригинала 15 апреля 2013 года.
  16. ↑ L. D. Duffy et al., A High Resolution Search for Dark-Matter Axions, Phys. Rev. D 74, 012006 (2006); см. также препринт Архивная копия от 26 июля 2020 на Wayback Machine
  17. ↑ Сайт эксперимента ADMX Архивировано 29 сентября 2006 года.
  18. ↑ Лесли Розенберг. В поисках темноты // В мире науки. — 2018. — № 3. — С. 76—85. Архивировано 4 апреля 2018 года.
  19. ↑ The International Axion Observatory (IAXO). Дата обращения: 18 апреля 2015. Архивировано 18 апреля 2015 года.
  20. ↑ Подтверждена ошибочность теории струн Архивная копия от 30 ноября 2020 на Wayback Machine // Лента. Ру, 20 марта 2020
  21. ↑ Aprile E. et al. (XENON Collaboration). "Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T". arXiv:2006.09721v1.
  22. ↑ Wolchover, Natalie Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal (англ.). Quanta Magazine (17 июня 2020). Дата обращения: 18 июня 2020. Архивировано 17 июня 2020 года.
  23. ↑ Phys. Rev. Lett. 126, 021102 (2021) - Axion Emission Can Explain a New Hard X-Ray Excess from Nearby Isolated Neutron Stars. Дата обращения: 26 января 2021. Архивировано 25 января 2021 года.

Ссылки

[править | править код]
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Аксион&oldid=139021128