Axion

Axion ( anglicky  axion od axiální + -on [1] ) je hypotetická neutrální [2] pseudoskalární elementární částice , polní kvantum, o kterém v roce 1977 předpokládali zachování CP invariance v kvantové chromodynamice Roberto Peccei (RD Peccei) a Helen Quinn (HR Quinn) [3] [4] (viz teorie Peccei-Quinnova ). Axion musí být pseudo-Goldstone boson vzniklý spontánním porušením Peccei-Quinnovy symetrie .

Název

Název částice dal Frank Wilczek [5] podle ochranné známky pracího prášku [6] , protože axion měl „očistit“ kvantovou chromodynamiku od problému silného narušení CP, a také kvůli souvislosti s axiální proud . Steven Weinberg , nezávisle na Wilczekovi (ale o týden později) navrhl [7] existenci těchto částic, chtěl jim dát jméno „higglet“ ( higglet ), ale po diskusi s Wilczkem souhlasil s „axion“ [8] .

Vlastnosti axionů

Axion se musí rozpadnout na dva fotony [2] , jeho hmotnost závisí na hodnotě očekávání vakua Higgsových polí V jako ~1/ V . V původní Peccei-Quinnovi teorii V ~ 100 G eV a hmotnost axionu ~ 100 k eV , což je však v rozporu s experimentálními údaji o rozpadu kvarkonie - ψ- a Υ- mezonů , sestávajících ze stejného typu kvarku a antikvark. V teorii upravené v rámci Velkého sjednocení jsou hodnoty V mnohem vyšší a axion musí být částice o nízké hmotnosti, která velmi slabě interaguje s baryonovou hmotou [2] . Existují práce zavádějící hmotnostní měřítko související s hmotností axionu dobře nad V ; to vede k mnohem nižší vazebné konstantě axionu s jinými poli a řeší problém nepozorování této částice ve stávajících experimentech. Dva modely tohoto druhu jsou široce diskutovány. V jednom z nich jsou představeny nové kvarky , které nesou (na rozdíl od známých kvarků a leptonů ) Peccei-Quinnův náboj a jsou spojeny s takzvaným hadronovým axionem (neboli KSVZ-axion , Kim-Shifman-Weinstein-Zakharovova axion) [9] . Ve druhém modelu (takzvaný GUT-axion , DFSZ-axion nebo Dyne-Fischler-Srednitsky-Zhitnitsky axion) [10] nejsou žádné další kvarky, všechny kvarky a leptony nesou Peccei-Quinnův náboj a, navíc je nutná existence dvou Higgsových dubletů.

Axion je považován za jednoho z kandidátů na roli částic, které tvoří "temnou hmotu" [2] [11]  - nebaryonovou složku temné hmoty v kosmologii .

V letech 2003-2004 probíhalo hledání axionů s hmotností do 0,02 eV . Axiony nebylo možné detekovat a horní mez interakční konstanty foton-axion byla stanovena < 1,16⋅10 −10 G eV −1 .

Astrofyzikální omezení hmotnosti axionu a jeho vazebné konstanty s fotonem jsou odvozeny z pozorované rychlosti ztráty energie hvězdami (červení obři, supernova SN1987A atd.). Zrození axionů v nitru hvězdy by vedlo k jejímu zrychlenému ochlazování [12] , podobnému procesu ochlazování neutrin .

Objevovací experimenty

Axiony letící od Slunce v magnetickém poli Země se mohou díky inverznímu Primakovovu jevu přeměnit na fotony s energií rentgenového záření. V datech evropského vesmírného rentgenového kosmického dalekohledu XMM-Newton (Multi Mirror Mission) bylo zjištěno, že intenzita rentgenové emise zaznamenané sondou z oblasti silného magnetického pole na sluneční straně Země je o něco výše než signál z magnetosféry ze stinné strany planety. Pokud vezmeme v úvahu všechny známé zdroje rentgenového záření, pak by signál pozadí měl být stejný z oblastí se silnými i slabými poli [13] . Jedním z možných mechanismů ohřevu sluneční koróny je emise axionů neboli axionům podobných částic Sluncem, které se v oblastech se silným magnetickým polem mění na fotony [14] .

Od roku 2003 se v CERNu provádí experiment CAST ( CERN Axion Solar Telescope) [15] k detekci axionů údajně emitovaných plazmou slunečního jádra zahřátého na ~15⋅10 6 K v důsledku Primakovova jevu . Detektor je založen na inverzním Primakovově jevu  - přeměně axionu na foton indukovaný magnetickým polem . Probíhají další experimenty zaměřené na hledání toku axionů vyzařovaných jádrem Slunce.

Experiment ADMX (Axion Dark Matter Experiment) [16] [17] se provádí v Livermore National Laboratory (Kalifornie, USA) za účelem hledání axionů, které pravděpodobně tvoří neviditelné halo naší Galaxie . Tento experiment používá silné magnetické pole k přeměně axionů na RF fotony; proces je umocněn rezonanční dutinou naladěnou na frekvence v rozsahu od 460 do 810 MHz , v souladu s předpokládanou hmotností axionu [18] .

Autoři experimentu PVLAS v roce 2006 oznámili objev dvojlomu a rotace roviny polarizace světla v magnetickém poli, což bylo interpretováno jako možný výskyt skutečných nebo virtuálních axionů ve svazku fotonů. V roce 2007 však autoři vysvětlili tyto výsledky jako důsledek některých nezodpovězených efektů v experimentálním uspořádání. .

V současné době CERN vyvíjí čtvrtou generaci solárního helioskopu IAXO – International Axion Observatory [19] .

V roce 2014 astronom George Fraser z University of Leicester a jeho spoluautoři oznámili, že našli nepřímý důkaz existence axionů v datech z kosmického rentgenového dalekohledu XMM-Newton [13] .

V roce 2018 byl publikován popis experimentu na detekci axionů měřením elektronové spinové precese [11] .

V roce 2020 byli vědci z University of Cambridge (UK) schopni potvrdit omyl některých odrůd teorie strun , které předpovídaly existenci axionů s určitými vlastnostmi. Vědci zároveň nevylučují možnost, že mohou existovat částice podobné axionům s nižšími hodnotami konvertibility, které zůstávají pro moderní pozorovací metody nedostupné [20] .

V červnu 2020 oznámila spolupráce XENON, že v jejich zařízení XENON1T bylo registrováno 285 událostí v nízkoenergetické ( 1...30 keV ) oblasti zpětného elektronového spektra, což je o 53 událostí nebo 3,5 σ více, než předpovídali teorie. Zvažovala se tři možná vysvětlení: existence hypotetických slunečních axionů, přítomnost magnetického momentu 7⋅10 -11 μ B v neutrinech nebo kontaminace detektoru tritiem v ultrastopových množstvích. I když není dostatek dat pro jednoznačný výběr z těchto tří vysvětlení, upgrade experimentu na XENONnT v budoucnu by měl tento problém vyřešit [21] [22] .

V lednu 2021 bylo detekováno tvrdé rentgenové záření vycházející z izolovaných neutronových hvězd slavné Sedmičky velkolepých , zdrojem tohoto záření mohou být axiony rozpadající se na dva fotony v silných magnetických polích neutronových hvězd [23] .

Poznámky

1. ↑ Dictionary.com, „axion“, v Online Etymology Dictionary . Zdroj: Douglas Harper, historik. http://dictionary.reference.com/browse/axion Archivováno 28. března 2012 na Wayback Machine . Přístup: 11. února 2012.
2. ↑ 1 2 3 4 Alexander Berezin. Axiony mohou být již objeveny . Compulenta-Online (6. prosince 2013). Datum přístupu: 30. prosince 2013. Archivováno z originálu 30. prosince 2013. (neurčitý)
3. ↑ Peccei RD, Quinn HR CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles  //  Physical Review Letters. - 1977. - Sv. 38. - S. 1440-1443. — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.38.1440 . - .
4. ↑ Peccei RD, Quinn HR Omezení uložená konzervací CP v přítomnosti pseudočástic // Physical Review D. - 1977. - Vol. 16. - S. 1791-1797. — ISSN 0556-2821 . - doi : 10.1103/PhysRevD.16.1791 . - .
5. ↑ Wilczek F. Problém silné P a T invariance v přítomnosti instantonů // Physical Review Letters. - 1978. - Sv. 40. - S. 279-282. — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.40.279 .
6. ↑ Wilczek F. Nobel Lecture: Asymptotická svoboda: Od paradoxu k paradigmatu // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2005. - Sv. 102. - S. 8403-8413. — ISSN 0027-8424 . - doi : 10.1073/pnas.0501642102 . ;
   Existuje ruský překlad: Vilchek F. A. Asymptotická svoboda: od paradoxů k paradigmatům. (Nobelova přednáška. Stockholm, 8. prosince 2004)  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 2005. - T. 175 , čís. 12 . - S. 1325-1337 . — ISSN 0042-1294 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200512g.1325 . .
   Citace: „částice, axiony. (Pojmenoval jsem je po pracím prostředku, protože řeší problém s axiálním proudem.
   ) (Pojmenoval jsem je po detergentu, protože vyřešily problém s axiálním proudem.)“
7. ↑ Weinberg S. Nový světelný boson? // Dopisy fyzické revize. - 1978. - Sv. 40. - S. 223-226. — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.40.223 .
8. ↑ Wilczek F. Time's (téměř) vratný šíp  // Quanta Magazine. — 7. ledna 2016.
9. ↑ JE Kim, Phys. Rev. Lett. 43 (1979), str. 103;
   MA Shifman, AI Vainstein a VI Zakharov, Nucl. Phys. B 166 (1980), str. 493.
10. ↑ A. R. Žitnický, Sov. J. Nucl. Phys. 31 (1980), str. 260;
    M. Dine, W. Fischler a M. Srednicki, Phys. Lett. B 104 (1981), str. 199
11. ↑ 1 2 Elektronová spinová precese pomůže najít axiony, 7. 12. 2018 . Získáno 20. července 2018. Archivováno z originálu 20. července 2018. (neurčitý)
12. ↑ http://www.springerlink.com/index/N510QL1R33X37427.pdf  (nedostupný odkaz) Astrofyzikální axionové hranice. G Raffelt - Axions, 2008 - Springer.
13. ↑ 1 2 Hledají dlouho, ale nemohou najít Archivní kopii ze dne 17. dubna 2015 na Wayback Machine / Vladislav Kobychev, Sergey Popov // Troitsky Variant No. 4 (173), 24. února 2015
14. ↑ Tajemné Slunce: kelímek pro novou fyziku . Získáno 27. září 2014. Archivováno z originálu 17. února 2015. (neurčitý)
15. ↑ Místo experimentu CAST (CERN Axion Solar Telescope) (nepřístupný odkaz) . Získáno 2. září 2005. Archivováno z originálu 15. dubna 2013. (neurčitý) 
16. ↑ LD Duffy et al., A High Resolution Search for Dark-Matter Axions , Phys. Rev. D74 , 012006 (2006); viz také Preprint Archived 26. července 2020 na Wayback Machine
17. ↑ Experimentální web ADMX Archivováno 29. září 2006.
18. ↑ Leslie Rosenberg. Při hledání temnoty  // Ve světě vědy . - 2018. - č. 3 . - S. 76-85 .
19. ↑ The International Axion Observatory (IAXO) . Získáno 18. dubna 2015. Archivováno z originálu 18. dubna 2015. (neurčitý)
20. ↑ Teorie strun potvrzena False Archivováno 30. listopadu 2020 na Wayback Machine // Lenta. Ru , 20. března 2020
21. ↑ Aprile E. a kol. (XENON Collaboration), Pozorování nadměrných událostí elektronického zpětného rázu v XENON1T, arΧiv : 2006.09721v1 . 
22. ↑ Wolchover, Natalie Experiment s temnou hmotou nalezl nevysvětlitelný signál  . Časopis Quanta (17. června 2020). Získáno 18. června 2020. Archivováno z originálu dne 17. června 2020.
23. ↑ Phys. Rev. Lett. 126, 021102 (2021) – Emise Axion může vysvětlit nový tvrdý X-ray exces z blízkých izolovaných neutronových hvězd . Získáno 26. ledna 2021. Archivováno z originálu dne 25. ledna 2021. (neurčitý)

Odkazy

• Teoretické předpoklady pro existenci axionových, laboratorních a astrofyzikálních omezení jeho parametrů v recenzi v Review of Particle Properties na webu Particle Data Group , 2014

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský
V bibliografických katalozích	GND : 4143745-7 NKC : ph1086050