Axion

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea personajului mitologic , consultați Assion (dezambiguizare) .

Axion este o particulă elementară ipotetică, implicit ipotezată de teoria Peccei-Quinn pentru a explica non-încălcarea simetriei CP în interacțiunea puternică . Încălcarea, prezisă de cromodinamica cuantică , nu a fost de fapt niciodată observată, în special din cauza absențeimomentului dipol electric în neutron (așa-numita problemă CP puternică ).

În 2005, un studiu experimental realizat în cadrul proiectului PVLAS a furnizat rezultate care ar indica detectarea axiilor [1] , deși experimentele ulterioare au dat rezultate opuse [2] . Primele rezultate ale PVLAS nu sunt de asemenea de acord cu cele ale CAST , precum și cu numeroase teorii astrofizice alternative [3] [4] [5] .

Numele Axion a fost ales de Frank Wilczek , coautor al primului articol științific în care era prezisă existența acestor particule, de la numele unui cunoscut detergent popular în Statele Unite în anii 1950.

De ce să introducem axiunile

Așa cum demonstrează Gerardus 't Hooft , fără introducerea axiilor, ecuațiile cromodinamicii cuantice prezic că, în unele cazuri, interacțiunea nucleară puternică poate încălca atât simetria sarcinii, cât și simetria parității, denumită colectiv simetria CP; împreună cu efectele interacțiunii slabe , încălcarea simetriei CP, indicată cu , apare în Modelul Standard ca un parametru independent, nu prezis de teorie, dar măsurabil. O încălcare a simetriei CP ar presupune, de fapt, prezența unui moment dipol electric ridicat pentru neutron, care nu a fost niciodată observat până acum; de aici rezultă că ar trebui să aibă valori foarte mici sau să fie total absent. Prin urmare, apare o altă problemă: de ce acest parametru este atât de aproape de zero?

O soluție simplă a problemei este următoarea: dacă cel puțin un quark descris de modelul standard ar fi fără masă, ar deveni nedetectabil și ar dispărea din model; de fapt, indicații puternice indică faptul că toți quarkii posedă masă, menținând astfel întrebarea deschisă.

În 1977 Roberto Peccei și Helen Quinn au postulat o nouă simetrie posibilă pentru a rezolva această problemă: s-au asociat cu un câmp cuantic, adăugând în Modelul Standard o nouă simetrie (numită simetrie Peccei-Quinn ) care este încălcată spontan. Mai târziu, Frank Wilczek și Steven Weinberg au subliniat că noua simetrie introdusă presupune existența unei noi particule, pe care au numit-o axion.

S-a subliniat că existența axiilor este și o componentă necesară a teoriei șirurilor .

Proprietăți așteptate

Conform acestor previziuni teoretice, axionul nu are sarcină electrică , are o masă foarte mică, între 10 −6 și 10 −2 eV / c 2 , nu are rotire și interacționează cu materia obișnuită (electroni, protoni etc.). doar foarte slab, motiv pentru care este considerată o particulă practic invizibilă. Există posibilitatea ca axiunile să se transforme în fotoni și invers în prezența câmpurilor magnetice intense, iar experimentele actuale care urmăresc urmărirea prezenței acestor particule încearcă să exploateze această proprietate (vezi Măsurători experimentale ).

În teoria supersimetrică , axiunea are atât un superpartener fermionic, cât și un superpartener scalar, respectiv numit assin [6] și s-axion [7] . În unele modele fizice, s-axion coincide cu dilatonul .

Implicații cosmologice

Axions ar fi fost produse în cantități mari în primele momente după Big Bang . Deși studiile au exclus existența unor axiuni cu masă mare și care s-au prezis a fi extrem de mici, teoria prezice că universul ar trebui să fie pătruns cu un condensat Bose-Einstein foarte rece alcătuit din aceste axiuni primordiale. Prin urmare, ei ar putea explica, cel puțin parțial, natura materiei întunecate , o problemă centrală a cosmologiei moderne. Cu toate acestea, metodele de astăzi pentru a găsi axioni lipsește acuratețea măsurătorilor și ADMX experimentul a indicat absența axioni cu mase mai mari de 10 -6 eV, ceea ce ar elimina contribuția la materia întunecată [8] .

Axiunile, chiar dacă au o masă redusă, ar putea influența și structura galaxiilor: prin precipitarea continuă în aceste aglomerate stelare din mediul intergalactic s-ar aduna în structuri inelare [9] . Efectele gravitaționale ale acestor inele asupra galaxiilor în sine și asupra rotației lor ar putea fi observabile [10] . Alți candidați pentru materie întunecată rece ( WIMP și MACHO ) ar putea forma aceste inele, dar, fiind fermioni , aceste structuri ar fi mai puțin evidente decât cele formate din bosoni, cum ar fi axiunile.

Măsurători experimentale

În ciuda dificultăților de detectare, existența axiilor nu poate fi exclusă pe baza observațiilor actuale.

Studiul italian numit PVLAS a folosit un fascicul de lumină polarizată trecut prin câmpuri magnetice intense pentru a detecta o posibilă rotație anormală în direcția polarizării ; cu toate acestea, acest lucru este foarte dificil de detectat și un posibil instrument este să reflectați lumina și să o faceți să treacă prin câmpul magnetic de milioane de ori. Cele mai recente date PVLAS raportează de fapt o rotație anormală, care poate fi interpretată ca existența axiilor având o masă de aproximativ 1-1,5 meV; cu toate acestea, este posibil ca această anomalie să fie cauzată de fenomene total diferite [11] . Acest experiment a fost ipotezat pentru prima dată în 1986 de Luciano Maiani , Roberto Petronzio și Emilio Zavattini [12] .

În multe experimente, axiunile de origine cosmică sunt căutate prin transformarea axiilor în fotoni și invers în prezența câmpurilor electromagnetice puternice ( efectul Primakoff ); axiile pot fi produse în miezul Soarelui atunci când electronii și protonii emit raze X care sunt transformate în aceste particule. Experimentul CERN Axion Solar Telescope (CAST) încă caută axii pentru a se transforma în raze gamma mai ușor de detectat.

Experimentul ADMX (acronim pentru Axion Dark Matter Experiment ) efectuat la Laboratorul Național „Lawrence Livermore” [13] caută interacțiunile slabe ale axiilor prezente în haloul de materie întunecată prezent în galaxia noastră; un câmp magnetic transformă aceste axiuni în fotoni, detectați de un fel de „cameră de rezonanță” sensibilă la frecvențe cuprinse între 460 și 810 MHz.

Un alt tip de experiment [14] constă în trecerea unei raze de lumină într-un câmp magnetic, pentru a transforma unele axiuni în fotoni și ulterior într-un câmp suplimentar care ar trebui să blocheze fotonii și să reconvertească axiunile (ambele procese nu sunt foarte eficient, deci este necesar un flux de fotoni extrem de intens) [15] . Un experiment mai recent, cu o astfel de sensibilitate pentru a putea confirma rezultatele PVLAS, cu toate acestea, nu a oferit rezultate semnificative [15] .

La 9 iulie 2007 , într-un articol publicat în arXiv , Carlo Rizzo [15] și alți cercetători de la Centre National de la Recherche Scientifique au susținut că, cu o probabilitate de 94%, rezultatele PVLAS erau incorecte și nu dovedeau existența axiilor. [15] . Inițial, echipa de cercetători a comparat rezultatele obținute din PVLAS și cele obținute din alte experimente efectuate în 2007 și 2006 [16] și a concluzionat că acestea nu erau unice [15] și că este necesară o analiză experimentală.

Experimentul echipei lui Rizzo s-a diferit de abordarea cercetărilor anterioare prin aceea că o placă de aluminiu a fost plasată la capătul unei camere de vid [15] , pentru a preveni trecerea fotonilor generați de o sursă laser din apropiere, în timp ce axiile ar fi au traversat structura netulburată, transformându-se în fotoni [15] ; cu toate acestea, doar o mică parte a fotonilor (aproximativ 4x10 22 ) așteptată a fi creați în acest mod au fost observate [15] . Prin urmare, concluziile cercetării au exclus orice dovadă a existenței axiilor, chiar dacă aceste particule au rămas o ipoteză științifică valabilă [15] .

Cu câteva zile mai devreme, pe 23 iunie, același PVLAS publicase un nou articol, tot despre arXiv, [1] care arăta îmbunătățirea preciziei rezultatelor anterioare [1] , prin utilizarea câmpurilor magnetice de 2, 3 și 5,5 T [1] și lungimi de undă de 1064 nm [1] . Cu aceste noi instrumente, PVLAS a reușit să excludă prezența axiilor [1] din cauza absenței unui semnal de rotație corespunzător valorilor de 1,2 10 −8 rad × 5,5 T și 1,0 10 −8 rad × 2,3 T , după 45.000 de pași. [1]

Axiunile (și alți bosoni ușori) își pot lăsa „semnătura” în diverse fenomene astrofizice; în special, studii recente au propus existența axiilor pentru a explica transparența aparentă a universului la radiația gamma de energie de ordinul TeV [17] [18] . De asemenea, s-a arătat că în mediile caracterizate de câmpuri magnetice puternice (cum ar fi în atmosferele magnetarilor ), conversia fotonilor în axioni este mult mai eficientă decât în ​​experimentele de laborator, indiferent de masa axionului. Acest fenomen ar genera, de asemenea, linii de absorbție caracteristice în spectrele acestor obiecte, observabile cu ajutorul telescoapelor actuale [19] [20] .

Într-un articol publicat pe arXiv în noiembrie 2009, Katherine Mack a ridicat îndoieli cu privire la existența axionului, deoarece (1) observațiile cosmologice implică faptul că, dacă o astfel de particulă ar exista, ar crea probleme fizice mai relevante decât ar trebui să le rezolve. [21] și că (2) nici măcar recurgerea la principiul antropic nu ar rezolva aceste probleme [22] . Din aceste motive, omul de știință concluzionează și, deoarece axionul nu a fost niciodată observat, nu există motive care să susțină existența acestuia.

Notă

  1. ^ a b c d e f g E. Zavattini, G. Zavattini, G. Ruoso, E. Polacco, E. Milotti, M. Karuza, U. Gastaldi, G. Di Domenico, F. Della Valle, R. Cimino, S. Carusotto, G. Cantatore și M. Bregant (PVLAS), Observație experimentală a rotației optice generate în vid de un câmp magnetic , Phys. Rev. Lett. 96 , 110406 ​​(2006) preimprimare .
  2. ^ E. Zavattini, G. Zavattini, G. Raiteri, G. Ruoso, E. Polacco, E. Milotti, V. Lozza, M. Karuza, U. Gastaldi, G. Di Domenico, F. Della Valle, R. Cimino , S. Carusotto, G. Cantatore și M. Bregant (PVLAS), Noile rezultate PVLAS și limitele rotației optice induse magnetic și elipticitatea în vid , preimprimare .
  3. ^ Eduard Masso și Javier Redondo, Evading Astrophysical Constraints on Axion-Like Particles , JCAP 0509 , 015 (2005) preprint
  4. ^ Avijit K. Ganguly, Pankaj Jain, Subhayan Mandal și Sarah Stokes, Materia întunecată de autointeracțiune în sistemul solar , Phys. Rev. D 76 , 025026 (2007) preimprimare
  5. ^ Holger Gies, Joerg Jaeckel și Andreas Ringwald, Lumina polarizată care se propagă într-un câmp magnetic ca sondă a fermiunilor cu încărcare multiplă , Phys. Rev. Lett. 97 , 140402 (2006) preimprimare
  6. ^ Nobutaka Abe, Takeo Moroi și Masahiro Yamaguchi, Supersimetrie mediată de anomalii , Breaking with Axion , JHEP, 2002 , 010 (2002), Supersimetrie mediată de anomalii , Breaking with Axion - Abstract - Journal of High Energy Physics - IOPscience
  7. ^ [hep-ph / 9811451] Modelul axonic hadronic în ruptura supersimetriei mediată prin ecartament și cosmologia Saxionului
  8. ^ PL Jain, G. Singh, Căutare de noi particule care se descompun în perechi de electroni de masă sub 100 MeV / c 2 , J. Phys. G: Nucl. Parte. Phys., 34 , 129-138, (2007); doi: 10.1088 / 0954-3899 / 34/1/009.
  9. ^ P. Sikivie, "Axiunile materiei întunecate și inelele caustice", Podul informațional: Informații științifice și tehnice DOE - Sponsorizat de OSTI
  10. ^ P. Sikivie (site-ul personal): Ilustrarea unei structuri ipotetice inelare în Calea Lactee; a ipotetic Arhivat 9 iunie 2011 la Internet Archive . ilustrând formarea acestei structuri.
  11. ^ Semnătura Axion poate fi QED - CERN Courier
  12. ^ L. Maiani, R. Petronzio și E. Zavattini, Phys. Litere 175 , 359 (1986)
  13. ^ LD Duffy și colab., O căutare de înaltă rezoluție pentru axiunile materiei întunecate , Phys. Rev. D 74 , 012006 (2006) preimprimare
  14. ^ A. Ringwald, Fizica fundamentală la un laser cu raze X fără electroni , dezbatere la „Workshop on Electromagnetic Probes of Fundamental Physics”, desfășurat la Erice, în octombrie 2001 preimprimare
  15. ^ a b c d e f g h i Rizzo, Carlo, Sautivet, Anne-Marie și colab. (2007). „ Fără lumină care strălucește printr-un perete ” CRNS: Franța, publicat pe arXiv pe 15 august 2007 de pe http://arxiv.org/pdf/0707.1296
  16. ^ Andriamonje, S., și colab. ( CAST ), Journal of Cosmological Astroparticle Physics 4, 10 (2007); Duffy, L. D, și colab., Physical Review D, vol 74, 110406 ​​(2006)
  17. ^ Alessandro De Angelis, Marco Roncadelli, Oriana Mansutti, Dovezi pentru un nou boson spin-zero luminos din propagarea cosmologică a razelor gamma? , Physical Review D76 (2007) 121301.
  18. ^ Alessandro De Angelis, Marco Roncadelli, Oriana Mansutti, Massimo Persic, propagarea fotonului și spectrele cu raze gamma de energie foarte ridicate ale blazarelor: Cât de transparent este Universul? , Notificări lunare ale Royal Astronomical Society: Letters 394 (2009) L21 - L25.
  19. ^ Chelouche D., Rabadan R., Pavlov SS și Castejon, F., Spectral Signatures of Photon-Particle Oscillations from Celestial Objects , preprint
  20. ^ Chelouche D., & Guendelman EI, Cosmic Analogues of the Stern-Gerlach Experiment and the Detection of Light Bosons , preprint
  21. ^ Katherine J. Mack și Paul J. Steinhardt, Cosmological Problems with Multiple Axion-like Fields , preprint
  22. ^ Katherine J. Mack, Axions, Inflation and the Anthropic Principle , preimprimare

Bibliografie

  • Roberto Peccei , Helen Quinn, Physical Review Letters , 38 (1977) p. 1440.
  • Roberto Peccei , Helen Quinn, Physical Review , D16 (1977) p. 1791-1797.
  • S. Weinberg , Phys. Rev. Letters 40 (1978), p. 223:
  • F. Wilczek , Phys. Rev. Letters 40 (1978), p. 279

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 48394 · GND (DE) 4143745-7
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Assione&oldid=119159801 ”