Що таке аксіон?

Аксіони — це гіпотетичні елементарні частинки, які, якщо вони існують, усунуть проблематичне виключення з правила, яке стосується так званої CP-симетрії.

Як бонус, їх існування також може розкрити ще одну загадкову наукову таємницю – невидиму додаткову масу, яка допомагає галактикам злипатися разом, відому як темна матерія .

Хоча є деякі приголомшливі ознаки їхнього існування, фізика ще не підтвердила, чи є вони тим рішенням, яке ми шукаємо, чи просто бульбашкою бажаного за дійсне.

Що таке CP-симетрія?

C у цьому випадку означає заряд, як-от негативність електронів і позитивність протонів, тоді як P означає парність, термін, що описує просторові координати частинки, наприклад, чи вона вигинається вліво, чи свистить вправо.

Симетрія стосується змін, які не мають особливого значення для певної функції, так само як обертання квадрата на 90 градусів не змінює того факту, що це квадрат.

Зазвичай зміна заряду частинки з позитивного на негативний або навпаки змінить її реакцію на заряд іншої частинки.

Але якби ми перевернули всі заряди, задіяні в процесі, перетворивши їх усіх на їхні античастинки , нічого б не змінилося. Ті самі правила будуть застосовуватися. Ми могли б сказати, що Всесвіт зі зміненим зарядом є симетричним.

Подібним чином перевертання просторових координат, щоб наш Всесвіт виглядав як у дзеркалі, де ліворуч тепер стає правим, а праворуч тепер лівим, також працюватиме з тією ж фізикою. Ця «перевернута» версія Всесвіту також буде симетричною.

До речі, час також має певну симетрію. Для більшості правил перемотування процесу повинно просто повернути вас туди, звідки ви почали, і ніщо не зміниться.

Якщо ми подивимося на будь-яке конкретне правило у фізиці, ми можемо сказати, що воно має CP-симетрію, якщо правило працює однаково після перевертання заряду та просторових координат разом. Більшість правил, здається, чудово дотримуються цієї тенденції… поки цього не відбувається.

У 1964 році команда, до складу якої входили американський фізик елементарних частинок Джеймс Кронін і фізик-ядерник Вел Фітч, побачили щось у розпаді двох різних типів кварк-антикваркових пар, які називаються каонами , що можна було б побачити, лише якби CP-симетрія не була вірною для слабких взаємодій.

Одне спостереження дратує, але його можна відкинути як експериментальну примху. В останні десятиліття більш прямі докази цього порушення також з’явилися в частинках, що складаються з кварків, і, можливо, серед інших частинок , зміцнюючи впевненість у тому, що справжнє розрив існує, принаймні у крихітному відсотку взаємодій.

Що таке сильна проблема CP?

Що засмучує, ми не бачимо порушення СР, коли кварки зв’язані в групи сильною силою, оскільки вони знаходяться всередині частинок, таких як протони та нейтрони.

Фізики називають це сильною проблемою CP , і це буває неприємною прогалиною в наших спостереженнях щодо того, коли ми очікуємо порушення симетрії заряду та парності (а коли ні).

Стандартна модель припускає, що якщо ми бачили це в одному, ми також повинні побачити це в іншому. Отже, щось не так.

Можливо, щось не так зі стандартною моделлю. Або, можливо, потрібні деякі розумні налаштування, щоб усе це підійшло.

У 1977 році фізики Роберто Печчеї та Хелен Куїнн знайшли рішення , яке могло пояснити різницю, просто ввівши новий вид поля.

Проблему вирішено, правда? Єдина проблема полягає в тому, що нове поле означає нову частинку, без заряду і з крихітною, крихітною масою.

Вони назвали це axion, кумедно назване на честь миючого засобу для прання в надії, що він прибере їхній безлад.

На жаль, це залишило фізику з плямою, яку не так легко відмити.

Де всі ці аксіони?

Незважаючи на десятиліття полювання на частинки з характеристиками аксіону, нічого конкретного знайдено не було.

Тим не менш, фізики не покинули пошуки.

Одним із методів є пошук частинок, які перетворюються на фотони, коли вони проходять через магнітне поле. Хоча деякі експерименти не виявили жодних слідів цього явища, інші продовжують натякати на його можливість .

У 2020 році експеримент під назвою XENON1T дав результати , які спокусливо інтерпретувати як аксіони, враховуючи їх чітку відповідність. Світіння аксіонів у магнітних полях також може пояснити несподіване світіння далекої темряви, яке спостерігав зонд New Horizons у 2022 році.

Однак фізика є консервативною галуззю, і знадобиться набагато більше даних, перш ніж хтось зможе відзначити це як відкриття аксіонів.

Що станеться, якщо ми знайдемо аксіони?

По-перше, сильна проблема CP була б меншою проблемою.

Аксіони також повинні були виникнути в надлишку в ранньому Всесвіті, витиснуті з поля, яке, як вважають, швидко роздуло простір до гігантських розмірів. Теорія також передбачає, що вони будуть тягнутися до цього поля, сповільнюючи їх, щоб вони не віддалялися один від одного так швидко.

Якщо вони все-таки з’явилися, вони не повинні помітно взаємодіяти з іншими частинками, через що їх буде важче помітити.

Незважаючи на їх крихітну масу, їхня величезна кількість і відносно повільний рух все одно змусять їх злипатися у величезні тіла, які діятимуть неймовірно як темна матерія.

Існування аксіонів заповнило б деякі неймовірні прогалини в нашому розумінні Всесвіту, так само як бозон Хіггса заповнив дошкульну прогалину в наших знаннях про масу.