Аксион

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Аксион
Символ: A0 или a
Состав: Элементарная частица
Семья: Бозон
Группа: Голдстоуновский бозон
Участвует во взаимодействиях: Электромагнитное,
гравитационное
Статус: Гипотетическая
Теоретически обоснована: 1977, Роберто Печчеи и Хелен Квинн
Масса: От 10−18 до 1 МэВ/c2
Каналы распада: A0γ + γ
Электрический заряд: 0
Спин: 0

Аксио́н (англ. axion от axial + -on[1]) — гипотетическая нейтральная[2] псевдоскалярная элементарная частица, постулированная для сохранения CP-инвариантности в квантовой хромодинамике в 1977 г. 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 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.

Свойства аксионов[править]

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)[7]. Во второй модели (так называемый GUT-аксион, DFSZ-аксион, или аксион Дайна — Фишлера — Средницкого — Житницкого)[8] 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] — небарионную составляющую скрытой массы в космологии.

Эксперименты по обнаружению[править]

С 2003 г. в ЦЕРНе проводится эксперимент CAST (CERN Axion Solar Telescope)[9] 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)[10][11] 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.

В течение 20032004 годов был выполнен поиск аксионов с массой до 0,02 эВ. Аксионы обнаружить не удалось и был определён верхний предел константы фотон-аксионного взаимодействия \(g_{a\gamma}\) < 1,16×10−10 ГэВ−1 [?].

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].

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 [?].

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

Возможное наблюдение[править]

Астроном британского Университета Лестера Джордж Фрейзер (George Fraser) и его соавторы заявили в 2014 году, что обнаружили косвенные подтверждения существования аксионов в данных космического рентгеновского телескопа XMM-Newton[15].

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[15].

Примечания[править]

  1. Dictionary.com, "axion, " in Online Etymology Dictionary. Source: Douglas Harper, Historian. http://dictionary.reference.com/browse/axion. Accessed: February 11, 2012.
  2. а б в г Александр Березин (2013-12-06). "АКСИОНЫ, БЫТЬ МОЖЕТ, УЖЕ ОБНАРУЖЕНЫ". Компьюлента-Онлайн. Archived from the original on 2013-12-30. Retrieved 2013-12-30. 
  3. R. D. Peccei, H. R. Quinn, Phys. Rev. Letters, 38(1977) p. 1440.
  4. R. D. Peccei, H. R. Quinn, Phys. Rev., D16 (1977) p. 1791—1797.
  5. F. Wilczek, Phys. Rev. Letters, 40 (1978), pp. 279—282.
  6. Frank Wilczek. Asymptotic freedom: From paradox to paradigm (version of Frank Wilczek’s Nobel Lecture) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, June 14, 2005 vol. 102 no. 24 8403-8413. doi: 10.1073/pnas.0501642102, PMCID: PMC1150826. Цитата: «particles, axions. (I named them after a laundry detergent, since they clean up a problem with an axial current.)», перевод по Вильчек Ф А «Асимптотическая свобода: от парадоксов к парадигмам» УФН 175 стр 1325—1337 (2005), doi:10.3367/UFNr.0175.200512g.1325, стр 1336 «частиц — аксионов. (Я назвал их в честь моющего средства, поскольку они расчистили проблему с аксиальными токами.)»
  7. 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.
  8. 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
  9. Сайт эксперимента CAST (CERN Axion Solar Telescope)
  10. L. D. Duffy et al., A High Resolution Search for Dark-Matter Axions, Phys. Rev. D 74, 012006 (2006); см. также препринт
  11. Сайт эксперимента ADMX
  12. http://www.springerlink.com/index/N510QL1R33X37427.pdf Astrophysical axion bounds. G Raffelt — Axions, 2008 — Springer.
  13. The International Axion Observatory (IAXO)
  14. The enigmatic Sun: a crucible for new physics
  15. а б Ищут давно, но не могут найти / Владислав Кобычев, Сергей Попов // «Троицкий вариант» № 4 (173), 24 февраля 2015 года

Ссылки[править]