Спросите Итана: могут ли аксионы решить загадку темной материи?

Большая часть материи в нашей Вселенной не состоит ни из одной из частиц Стандартной модели. Сможет ли аксион спасти положение?

Ключевые выводы

Аксионы - это частицы, которые, как предполагается, существуют из совершенно не связанной с физикой элементарных частиц загадки: почему нет CP-нарушения в сильных взаимодействиях?
Вместо того, чтобы предполагать, что Вселенная точно настроена, мы можем вызвать новую симметрию, и для каждой нарушенной симметрии мы получим новую частицу.
Эта частица, аксион, естественным образом вытекает из теории. Если Вселенная будет сотрудничать, это может решить проблему темной материи.

Астрофизически обычная материя - даже во всех различных формах, которые она может принимать - не может сама по себе объяснить Вселенную, которую мы наблюдаем. Помимо всех звезд, планет, газа, пыли, плазмы, черных дыр, нейтрино, фотонов и многого другого, существует огромное количество доказательств того, что Вселенная содержит два ингредиента, происхождение которых остается неизвестным: темную материю и темную энергию. Темная материя, в частности, имеет невероятное количество астрофизических свидетельств, подтверждающих ее существование и изобилие, превосходящих по массе обычную материю в соотношении 5:1. Тем не менее, его корпускулярная природа остается неясной, хотя мы совершенно уверены, что в ранние времена он должен был быть холодным или медленным, а не горячим, где он двигался бы быстрее в молодой Вселенной.

Один из главных кандидатов на свою природу, аксион, остается неотразимым спустя более 40 лет после того, как была впервые выдвинута гипотеза, хотя он даже редко представляется широкой публике. Может ли эта интригующая теоретическая частица быть решением загадки темной материи? Вот что хочет знать Реджи Грюненберг, спрашивая:

«Аксионы - это спекулятивные частицы и горячие кандидаты на роль частиц темной материи, которые, как предполагается, были созданы в основном во время Большого взрыва и с тех пор постоянно находятся в ядрах звезд посредством механизма, называемого эффектом Примакова. Это означало бы, что звезды будут «производить» темную материю - и что таким образом им придется терять гораздо больше массы, чем в результате ядерного синтеза. И что количество темной материи в галактиках со временем будет расти, тем самым еще больше ускоряя вращающиеся вокруг звезды. Может ли эта модель действительно работать?»

Здесь есть что распаковать. Но если мы будем двигаться шаг за шагом, вы можете уйти, думая, что однажды аксион может стать решением величайшей космической тайны.

Кварки, антикварки и глюоны стандартной модели обладают цветовым зарядом в дополнение ко всем другим свойствам, таким как масса и электрический заряд. Все эти частицы, насколько мы можем судить, действительно точечны и имеют три поколения. При более высоких энергиях возможно существование еще дополнительных типов частиц.

Мотивация

Когда мы думаем о Стандартной модели элементарных частиц, мы обычно думаем о фундаментальных частицах, которые, как мы знаем, существуют во Вселенной, и о взаимодействиях, которые происходят между ними. Шесть разновидностей кварков (верхний, нижний, странный, прелестный, нижний и верхний) и лептонов (электрон, мюон и тау, а также их нейтринные аналоги) составляют фермионы Стандартной модели, а бозоны - фотоны. (опосредующие электромагнитное взаимодействие), бозоны W и Z (опосредующие слабое взаимодействие), восемь глюонов (опосредующие сильное взаимодействие) и бозон Хиггса (оставшийся после нарушения электрослабой симметрии).

В физике элементарных частиц существует три типа симметрии, которые управляют взаимодействием фермионов при каждом из этих фундаментальных взаимодействий:

C(зарядовое сопряжение), при котором каждая частица заменяется ее аналогом-античастицей
P (четность), которая заменяет каждую частицу ее зеркальной копией
T (обращение времени), которое заменяет взаимодействия, идущие вперед во времени, на взаимодействия, идущие назад во времени

Каждое взаимодействие имеет математическое свойство благодаря своей групповой структуре: либо абелевой, либо неабелевой. Электромагнитный абелев; сильное и слабое взаимодействия неабелевы. Если вы абелевец, вы должны соблюдать все эти симметрии; если вы неабелевец, вы можете нарушить любое одно или два из них, но не все три вместе.

Нестабильные частицы, такие как большая красная частица, изображенная выше, будут распадаться в результате сильного, электромагнитного или слабого взаимодействия, создавая при этом «дочерние» частицы. Если процесс, который происходит в нашей Вселенной, происходит с другой скоростью или с другими свойствами, если вы посмотрите на процесс распада зеркального отображения, это нарушает четность или P-симметрию. Если зеркальный процесс одинаков во всех отношениях, то P-симметрия сохраняется. Замена частиц на античастицы является проверкой C-симметрии, а выполнение и того, и другого одновременно - проверкой CP-симметрии.

Экспериментально электромагнитное взаимодействие, по сути, является симметричным относительно зарядового сопряжения симметрии, симметрии четности и симметрии обращения времени, как по отдельности, так и в любой возможной комбинации. Точно так же слабое взаимодействие не является симметричным ни по одному из них; он нарушает симметрию зарядового сопряжения, симметрию четности и симметрию обращения времени, а также комбинации CP, CT и PT симметрии. Только комбинация CPT верна для слабого взаимодействия, как и должно быть.

А вот и сюрприз.

Сильное взаимодействие неабелево, как и слабое взаимодействие. Но почему-то мы не видим ни одного из этих нарушений в сильных взаимодействиях. Вместо этого они сохраняют каждую симметрию как по отдельности, так и во всех возможных комбинациях: C, P, T, CP, CT и PT, а также обязательный CPT В слабых взаимодействиях комбинация CP, в частности, встречается примерно на уровне 1 из 1000. Но было подтверждено, что в случае сильных взаимодействий, если это и происходит, то на уровне ниже 1 из 1 000 000 000!

Мяч в середине отскока имеет свою прошлую и будущую траектории, определяемые законами физики, но время для нас будет течь только в будущее. В то время как законы движения Ньютона одинаковы, независимо от того, бежите ли вы часы вперед или назад во времени, не все законы физики ведут себя одинаково, если вы бежите часы вперед или назад, указывая на нарушение симметрии обращения времени (Т), где она имеет место.

Всякий раз, когда что-то, что прямо не запрещено, на самом деле не происходит - как выражается тоталитарный принцип Мюррея Гелл-Манна, «все, что не запрещено, является обязательным», - мы всегда пытаемся объяснить, почему. В Стандартной модели нет ничего, что запрещало бы сильному взаимодействию нарушать эту CPсимметрию, поэтому у вас действительно есть только два варианта:

Можно просто утверждать: «Ну, Вселенная такая, и мы не знаем, почему, и либо этот параметр равен нулю, либо очень мал, и так оно и есть, без объяснения причин». ». Это возможно, но это неудовлетворительно.
Вы можете предположить, что что-то подавляет это CP-нарушение, и «что-то», что делает это очень хорошо, заключается в том, что мы вводим новая симметрия. (Если бы один из кварков был безмассовым, это тоже сработало бы, но все шесть кварков, по-видимому, имеют положительные, ненулевые массы.)

Первая симметрия, удовлетворяющая этому требованию, была изобретена Роберто Печчеи и Хелен Куинн в 1977 году: симметрия Печчеи-Куинна. Они предположили существование нового скалярного поля, и это поле должно подавлять все CP-нарушающие члены в сильных взаимодействиях. Когда симметрия нарушается, что должно произойти очень рано, когда Вселенная остывает, это должно привести к появлению новой частицы с ненулевой массой: аксиона. Он должен быть легким, незаряженным и мог возникнуть вследствие необходимости наличия дополнительной симметрии для «защиты» CP-симметрии в сильных взаимодействиях.

Обмен частиц на античастицы и отражение их в зеркале одновременно представляет собой CP-симметрию. Если антизеркальные распады отличаются от нормальных распадов, СР нарушается. Симметрия обращения времени, известная как T, также должна нарушаться, если нарушается CP. Никто не знает, почему CP-нарушение, которое в Стандартной модели полностью разрешено как для сильных, так и для слабых взаимодействий, экспериментально проявляется только в слабых взаимодействиях.

Три способа создания аксиона

Итак, если существует новая симметрия, обеспечивающая решение загадочной проблемы сильной СР, и эта симметрия нарушена в ранней Вселенной, либо до/во время инфляции, либо только за долю секунды после его окончания, что это означает для свойств частицы, которая должна возникнуть в результате: аксиона?

Это означает, что аксион:

очень слабая сила связи с любыми частицами Стандартной модели
очень легкая масса, потому что сцепления и масса пропорциональны аксионам
должно производиться во Вселенной тремя различными способами

Один из способов создания аксионов находится на самых ранних стадиях горячего Большого Взрыва. Вселенная достигла своей максимальной энергии, температуры и плотности в эту эпоху, и все, что может быть произведено из доступной энергии с помощью Эйнштейна E=mc^{2, и включая очень легкий аксион. Из-за их чрезвычайно малой массы они по-прежнему будут двигаться очень быстро даже сегодня, а это означает, что они будут служить своего рода горячей темной материей. Конечно, горячий Большой взрыв также имеет формулу того, сколько таких частиц должно образоваться, и это говорит нам о том, что самое большее эти «тепловые аксионы» могут составлять примерно ~0,1% темной материи, и не более того..}

Выше определенных температур и плотностей, таких как те, которые образуются при столкновениях тяжелых ионов или на ранних стадиях горячего Большого взрыва, кварки и глюоны больше не связаны в протоны и нейтроны, а вместо этого образуют кварк -глюонная плазма. В ранней Вселенной энергетические взаимодействия могут создавать все виды частиц, если для этого достаточно энергии, включая экзотические виды, которые еще предстоит обнаружить или открыть сегодня.

Второй способ создания аксионов немного интереснее и связан с конкретным вопросом, который здесь задавали. Если аксион существует как теоретическая частица, то он должен иметь ненулевую связь с электромагнитными взаимодействиями и, в частности, с фотоном. Это требует модификации уравнений Максвелла, чтобы включить в нее возможные взаимодействия фотонов и аксионов, последствия которых Пьер Сикиви разрабатывал еще в 1983 году. обычная материя - эти фотоны могут преобразовываться в аксионы с помощью эффекта Примакова.

Это может произойти при различных условиях, в том числе:

когда фотоны путешествуют на большие расстояния через плазму, присутствующую в межгалактическом пространстве
в магнитосферах нейтронных звезд
в центрах достаточно массивных звезд
в правильно сконфигурированном лабораторном эксперименте

В конце 1990-х и начале 2000-х фотонно-аксионные осцилляции серьезно рассматривались как потенциальное объяснение того, почему сверхдальние сверхновые кажутся слабее, чем ожидалось; сегодня ведутся поиски косвенных признаков аксионных взаимодействий, исходящих от звезд. Хотя аксионы могут быть созданы таким образом, они снова будут горячей темной материей, и снова не смогут составить даже 1% от общего количества темной материи во Вселенной.

Когда мы видим что-то вроде шара, ненадежно балансирующего на вершине холма, это похоже на то, что мы называем состоянием тонкой настройки или состоянием нестабильного равновесия. Гораздо более устойчивая позиция, когда мяч находится где-то внизу долины. Всякий раз, когда мы сталкиваемся с тонко настроенной физической ситуацией, есть веские причины искать для нее физически мотивированное объяснение.

А вот третий способ действительно завораживает. Симметрия Печчеи-Куинна, как указано выше, может быть смоделирована в виде шара на вершине остроконечного потенциала, который имеет долину одинаковой глубины вокруг него во всех направлениях: проницательно известный как потенциал «винной бутылки» или «мексиканской шляпы». (Какой термин используется, зависит от того, предпочитает ли обучающий вас физик алкоголю или культурной нечувствительности.) Когда симметрия Печчеи-Куинна нарушается, то есть до, во время или сразу после инфляции, шарик скатывается в долину, где он может свободно и без трения вращаться вокруг. Но затем, через огромное количество космического времени - порядка ~10 микросекунд - происходит другой переход: кварки и глюоны связываются в протоны и нейтроны, что известно как конфайнмент.

Когда это происходит, потенциал бутылки/шляпы слегка наклоняется в одну сторону, заставляя шар колебаться вокруг нижней точки наклоненной бутылки/шляпы. Поскольку на этот раз мяч колеблется, возникает небольшое трение, и это трение вызывает аксионы с крошечной, отличной от нуля массой и чрезвычайно подавленным количеством CP -нарушение, чтобы быть вырванным из квантового вакуума. Мы не знаем, какова масса аксиона и даже каковы многие его специфические свойства, но чем меньше он по массе, тем гораздо большее число аксионов будет создано во время этого перехода. Важно отметить, что эти аксионы рождаются движущимися очень медленно, что делает их холодной, а не горячей темной материей. Хотя это зависит от модели, если аксион находится в диапазоне нескольких микроэлектрон-вольт энергии массы покоя, аксионы действительно могут составлять до 100% темной материи в нашей Вселенной.

Считается, что наша галактика окружена огромным диффузным ореолом темной материи, что указывает на то, что темная материя должна течь через Солнечную систему. Хотя нам еще предстоит обнаружить темную материю напрямую, тот факт, что она повсюду вокруг нас, делает возможность ее обнаружения, если мы сможем правильно предположить ее свойства, реальной возможностью в 21 веке.

Но могут ли они быть темной материей?

Это ключевой вопрос, и единственный способ ответить на вопрос, действительно ли аксионы представляют собой темную материю, - это обнаружить их напрямую. Первая подлинная попытка прямого обнаружения основывалась на электромагнитных свойствах аксиона и в дальнейшем выросла из ранней работы Сикиви, применив сильное магнитное поле, чтобы заставить аксионы преобразовываться в фотоны. Криогенно охлажденный электромагнитный резонатор правильного размера мог бы заставить аксионы - если бы мы могли правильно угадать массу аксиона - колебаться в фотоны соответствующей частоты. Известный как полостной галоскоп или полость Сикиви, он побудил ученых провести эксперимент с темной материей Axion (ADMX).

Поскольку Земля вращается вокруг Солнца и движется через Млечный Путь, темная материя будет не только постоянно входить и выходить из этой полости, но и плотность темной материи внутри будет меняться в зависимости от нашего кумулятивного движения через Млечный Путь. галактика. В результате мы должны быть в состоянии либо обнаружить аксионы, если мы правильно угадаем их присущие свойства и их плотности достаточно высоки, либо исключить аксионы, составляющие определенную долю темной материи в определенном диапазоне масс. Будучи, пожалуй, вторым наиболее популярным кандидатом на темную материю после сильно ограниченных вимпов, для слабо взаимодействующих массивных частиц аксионы могут обеспечить сделку два к одному, поскольку они являются потенциальным решением как сильных CPпроблема и проблема темной материи.

На этой фотографии показано, как ADMX-детектор извлекается из окружающего аппарата, который создает сильное магнитное поле, вызывающее аксионно-фотонное преобразование. Туман является результатом взаимодействия криогенно охлаждаемой вставки с теплым влажным воздухом.

Пока что ADMX и многие другие эксперименты по поиску аксионов еще не получили надежного положительного сигнала, но это должна быть обнадеживающая информация. В то время как многие другие поиски темной материи в течение многих лет объявляли о ложных обнаружениях, ADMX был стабильным и ответственным. Со временем у них:

исключены аксионы в значительном диапазоне масс
устранена исходная модель аксиона Печчеи и Куинн
наложил важные ограничения на два самых популярных современных сценария аксионов
продолжили совершенствовать свой детектор и повышать чувствительность

В отличие от многих других ведущих поисков темной материи, ADMX и подобные эксперименты не требуют огромного сотрудничества сотен или даже тысяч людей, и они не требуют огромных средств или огромных финансовых вложений. гигантских детекторов вимпов, таких как XENON.

Конечно, найти нулевой результат никогда не бывает так увлекательно, как найти положительный результат. Но в этом направлении работы каждый нулевой результат представляет собой еще один важный шаг вперед: исключение и более жесткое ограничение ранее неисследованного сценария, который мог бы, но не объясняет наличие темной материи в нашей Вселенной. Что еще более важно, мы можем быть уверены, что ученые, работающие над этими экспериментами, проводят свою работу скрупулезно и тщательно, в отличие от тех экспериментов, которые стимулировали расточительное воспроизводство только для того, чтобы обнаружить, что первоначальные положительные результаты были ошибочными.

Самый последний график, который исключает содержание аксионов и связи, в предположении, что аксионы составляют ~ 100% темной материи в Млечном Пути. Показаны пределы исключения аксионов KSVZ и DFSZ. физ. Rev. Lett., 2018)

Если аксионы существуют, а они почти наверняка существуют, если есть какая-то основанная на симметрии причина, по которой не наблюдается CP-нарушение в сильные взаимодействия, они вполне могут составлять темную материю. Хотя существует три основных способа образования аксионов во Вселенной, ни те, которые образовались на самых ранних стадиях горячего Большого взрыва, ни те, которые образовались намного позже в звездах и вокруг звездных остатков, не вносят существенный вклад в темную материю вокруг нас.. Наоборот, это акт удержания кварков, который производит большое количество холодных маломассивных аксионов, которые могут составить темную материю. Именно эти аксионы нам особенно интересно найти, и мы ищем их наиболее активно.

Хотя верно, что обнаружение аксионов из любого источника было бы революционным - в конце концов, они были бы первой и единственной обнаруженной фундаментальной частицей, не являющейся частью Стандартной модели - тем больше На кону стоит выяснить природу темной материи, а также понять, почему в сильном секторе нет CP-нарушения. Когда мы шарим в метафорической темноте, пытаясь понять Вселенную, жизненно важно помнить о ценности каждый раз, когда мы смотрим туда, куда никогда раньше не смотрели. Мы никогда не можем быть уверены в том, что принесет нам природа. Единственная уверенность заключается в том, что если мы не будем искать за известными границами, мы никогда больше не обнаружим ничего нового.

Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!