Аксион

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

Название частице дано Фрэнком Вильчеком^[4] по торговой марке стирального порошка^[5], так как аксион должен был «очистить» квантовую хромодинамику от проблемы сильного CP-нарушения, а также из-за связи с аксиальным током.

Свойства аксионов

Аксион должен распадаться на два фотона. В оригинальной теории Печчеи-Квинн $V$ ~ 100 ГэВ и масса аксиона ~ 100 кэВ, что, однако, противоречит экспериментальным данным по распаду $\psi$- и $\Upsilon$-частиц. В модифицированной в рамках Великого Объединения теории значения $V$ значительно выше и аксион должен быть очень слабо взаимодействующей с веществом 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)^[6]. Во второй модели (так называемый GUT-аксион, DFSZ-аксион, или аксион Дайна-Фишлера-Средницкого-Житницкого) ^[7] отсутствуют дополнительные кварки, все кварки и лептоны несут заряд Печчеи-Квинн.

Аксионы рассматриваются как одни из кандидатов, составляющих «тёмную материю» — небарионную составляющую скрытой массы в космологии.

Эксперименты по обнаружению

С 2003 г. в ЦЕРНе проводится эксперимент CAST (CERN Axion Solar Telescope)^[8] 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)^[9][10] 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 2003—2004 гг. 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 [источник не указан 480 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^[11].

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 480 дней]}.

Примечания

1. ↑ Dictionary.com, "axion," in Online Etymology Dictionary. Source: Douglas Harper, Historian. http://dictionary.reference.com/browse/axion. Accessed: February 11, 2012.
2. ↑ R. D. Peccei, H. R. Quinn, Phys. Rev. Letters, 38(1977) p. 1440.
3. ↑ R. D. Peccei, H. R. Quinn, Phys. Rev., D16 (1977) p. 1791—1797.
4. ↑ F. Wilczek, Phys. Rev. Letters, 40 (1978), pp. 279-282.
5. ↑ 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.)"
6. ↑ 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.
7. ↑ 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
8. ↑ Сайт эксперимента CAST (CERN Axion Solar Telescope)
9. ↑ L. D. Duffy et al., A High Resolution Search for Dark-Matter Axions, Phys. Rev. D 74, 012006 (2006); см. также препринт
10. ↑ Сайт эксперимента ADMX
11. ↑ http://www.springerlink.com/index/N510QL1R33X37427.pdf Astrophysical axion bounds. G Raffelt - Axions, 2008 - Springer.

Ссылки

• Теоретические предпосылки существования аксиона, лабораторные и астрофизические ограничения на его параметры (обзор в Review of Particle Properties на сайте Particle Data Group, 2008 год): [1]

Частицы в физике

 

Элементарные частицы	Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино
Составные частицы	Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон
Квазичастицы	Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон
Списки	Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц