Axión

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Axión  ( A0
oun )
Compuesto Partícula elemental
Una familia bosón
Grupo bosón de Goldstone
Participa en interacciones electromagnético ,
gravitacional
Estado Hipotético
Peso De 10 −18 a 1  MeV / s 2
canales de descomposición A0
→ γ + γ
Teóricamente justificado 1977, Roberto Peccei y Helen Quinn
números cuánticos
Carga eléctrica 0
Girar 0 ħ
paridad interna −
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Axion ( del inglés  axion de axial + -on [1] ) es una partícula elemental pseudoescalar neutra [2] hipotética , un cuanto de campo, postulado para preservar la invariancia de CP en la cromodinámica cuántica en 1977 por Roberto Peccei (RD Peccei) y Helen Quinn (HR Quinn) [3] [4] (ver teoría de Peccei-Quinn ). El axión debe ser un pseudo- bosón de Goldstone resultante de la ruptura espontánea de la simetría de Peccei-Quinn .

Título

El nombre de la partícula fue dado por Frank Wilczek [5] después de la marca registrada de detergente en polvo [6] , ya que se suponía que el axión "limpiaría" la cromodinámica cuántica del problema de la fuerte violación de CP, y también debido a la conexión con el corriente axial . Steven Weinberg , independientemente de Wilczek (pero una semana después) sugirió [7] la existencia de estas partículas, quiso darles el nombre de "higglet" ( higglet ), pero tras discutirlo con Wilczek estuvo de acuerdo con el de "axión" [8] .

Propiedades de los axiones

El axión debe decaer en dos fotones [2] , su masa depende del valor de la expectativa de vacío de los campos de Higgs V como ~1/ V . En la teoría original de Peccei-Quinn, V ~ 100 G eV y la masa del axión ~ 100 k eV , lo que, sin embargo, contradice los datos experimentales sobre la descomposición de quarkonia - ψ- y Υ- mesones , que consisten en el mismo tipo de quark y antiquark En la teoría modificada en el marco de la Gran Unificación , los valores de V son mucho más altos, y el axión debe ser una partícula de baja masa interactuando muy débilmente con la materia bariónica [2] . Hay trabajos que introducen una escala de masas relacionada con la masa del axión muy por encima de V ; esto conduce a una constante de acoplamiento mucho más baja del axión con otros campos y resuelve el problema de la no observación de esta partícula en los experimentos existentes. Dos modelos de este tipo son ampliamente discutidos. En uno de ellos se introducen nuevos quarks que portan (a diferencia de los conocidos quarks y leptones ) la carga Peccei-Quinn y se asocian al llamado axión hadrónico (o KSVZ-axion, el axión de Kim-Shifman-Weinstein-Zakharov) [9] . En el segundo modelo (el llamado GUT- axion , DFSZ-axion o Dyne-Fischler-Srednitsky-Zhitnitsky axion) [10] , no hay quarks adicionales, todos los quarks y leptones llevan una carga de Peccei-Quinn y, además, es necesaria la existencia de dos dobletes de Higgs .

El axión se considera como uno de los candidatos para el papel de las partículas que componen la "materia oscura" [2] [11]  - el componente no bariónico de la masa oscura en cosmología .

Durante 2003-2004 se realizó una búsqueda de axiones con una masa de hasta 0,02 eV . No se pudieron detectar axiones y se determinó el límite superior de la constante de interacción fotón-axión < 1.16⋅10 −10 G eV −1 .

Las restricciones astrofísicas sobre la masa del axión y su constante de acoplamiento con el fotón se derivan de la tasa de pérdida de energía observada por las estrellas (gigantes rojas, supernova SN1987A , etc.). El nacimiento de axiones en el interior de una estrella conduciría a su enfriamiento acelerado [12] , similar al proceso de enfriamiento de los neutrinos .

Experimentos de descubrimiento

Los axiones que vuelan desde el Sol en el campo magnético de la Tierra pueden, debido al efecto Primakov inverso , convertirse en fotones con energía de rayos X. En los datos del Telescopio Espacial Europeo de Rayos X Espaciales XMM-Newton (Misión Multi Espejo), se encontró que la intensidad de la emisión de rayos X registrada por la sonda de la región de un fuerte campo magnético en el lado solar de la Tierra está ligeramente más alta que la señal de la magnetosfera del lado oscuro del planeta. Si tenemos en cuenta todas las fuentes conocidas de radiación de rayos X, la señal de fondo debería ser la misma para las regiones con campos fuertes y débiles [13] . Uno de los posibles mecanismos de calentamiento de la corona solar es la emisión de axiones o partículas similares a axiones por parte del Sol, que se convierten en fotones en regiones con un fuerte campo magnético [14] .

Desde 2003 , el experimento CAST ( CERN Axion Solar Telescope) [15] se lleva a cabo en el CERN para detectar axiones supuestamente emitidos por el plasma del núcleo solar calentado a ~15⋅10 6 K debido al efecto Primakov . El detector se basa en el efecto Primakov inverso  : la transformación de un axión en un fotón inducido por un campo magnético . Se están realizando otros experimentos destinados a buscar el flujo de axiones emitidos por el núcleo del Sol.

El experimento ADMX (Axion Dark Matter Experiment) [16] [17] se lleva a cabo en el Laboratorio Nacional de Livermore (California, EE. UU.) con el fin de buscar axiones que presumiblemente forman el halo invisible de nuestra Galaxia . Este experimento utiliza un fuerte campo magnético para convertir axiones en fotones de RF; el proceso es mejorado por una cavidad resonante sintonizada a frecuencias en el rango de 460 a 810 MHz , de acuerdo con la masa predicha del axión [18] .

Los autores del experimento PVLAS en 2006 anunciaron el descubrimiento de la birrefringencia y rotación del plano de polarización de la luz en un campo magnético, lo que fue interpretado como la posible ocurrencia de axiones reales o virtuales en el haz de fotones. Sin embargo, en 2007, los autores explicaron estos resultados como consecuencia de algunos efectos no explicados en la configuración experimental. .

Actualmente, el CERN está desarrollando la cuarta generación del helioscopio solar IAXO: el Observatorio Internacional Axion [19] .

En 2014, el astrónomo George Fraser de la Universidad de Leicester y sus coautores anunciaron que habían encontrado evidencia indirecta de la existencia de axiones en los datos del telescopio espacial de rayos X XMM-Newton [13] .

En 2018, se publicó una descripción de un experimento sobre la detección de axiones midiendo la precesión del espín de los electrones [11] .

En 2020, científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) pudieron confirmar la falacia de algunas variantes de la teoría de cuerdas , que predecían la existencia de axiones con determinadas características. Al mismo tiempo, los científicos no excluyen la posibilidad de que pueda haber partículas similares a axiones con valores de convertibilidad más bajos que siguen siendo inaccesibles para los métodos de observación modernos [20] .

En junio de 2020, la colaboración XENON informó que se registraron 285 eventos en su instalación XENON1T en la región de baja energía ( 1...30 keV ) del espectro de electrones de retroceso, que son 53 eventos, o 3,5 σ , más de lo previsto por teoría. Se consideraron tres posibles explicaciones: la existencia de hipotéticos axiones solares, la presencia de un momento magnético de 7⋅10 -11 μ B en los neutrinos o la contaminación del detector con tritio en cantidades ultratrazas. Si bien no hay suficientes datos para elegir sin ambigüedades entre una de estas tres explicaciones, una actualización del experimento a XENONnT en el futuro debería resolver este problema [21] [22] .

En enero de 2021, se detectaron rayos X duros que emanaban de estrellas de neutrones aisladas de los famosos Siete Magníficos , la fuente de esta radiación puede ser axiones que se descomponen en dos fotones en los fuertes campos magnéticos de las estrellas de neutrones [23] .

Notas

  1. ↑ Dictionary.com, "axión", en Online Etymology Dictionary . Fuente: Douglas Harper, Historiador. http://dictionary.reference.com/browse/axion Archivado el 28 de marzo de 2012 en Wayback Machine . Consultado: 11 de febrero de 2012.
  2. ↑ 1 2 3 4 Alejandro Berezin. Es posible que ya se hayan descubierto axiones . Compulenta-Online (6 de diciembre de 2013). Fecha de acceso: 30 de diciembre de 2013. Archivado desde el original el 30 de diciembre de 2013.
  3. ↑ Peccei RD, Quinn HR CP Conservación en presencia de pseudopartículas  //  Cartas de revisión física. - 1977. - vol. 38.- Pág. 1440-1443. — ISSN 0031-9007 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.38.1440 . - .
  4. ↑ Peccei RD, Quinn HR Restricciones impuestas por la conservación de CP en presencia de pseudopartículas // Physical Review D. - 1977. - vol. 16. - Pág. 1791-1797. — ISSN 0556-2821 . -doi : 10.1103 / PhysRevD.16.1791 . - .
  5. ↑ Wilczek F. Problema de la fuerte invariancia de P y T en la presencia de Instantons // Physical Review Letters. - 1978. - vol. 40. - Pág. 279-282. — ISSN 0031-9007 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.40.279 .
  6. ↑ Conferencia de Wilczek F. Nobel: Libertad asintótica: de la paradoja al paradigma // Actas de la Academia Nacional de Ciencias. - 2005. - vol. 102. - Pág. 8403-8413. — ISSN 0027-8424 . -doi : 10.1073 / pnas.0501642102 . ;
    Hay una traducción al ruso: Vilchek F. A. Libertad asintótica: de las paradojas a los paradigmas. (Conferencia Nobel. Estocolmo, 8 de diciembre de 2004)  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 2005. - T. 175 , núm. 12 _ - S. 1325-1337 . — ISSN 0042-1294 . - doi : 10.3367/UFNr.0175.200512g.1325 . .
    Cita: “partículas, axiones. (Les puse el nombre de un detergente para ropa, ya que limpian un problema con una corriente axial
    ) . (Les puse el nombre del detergente porque solucionaron el problema de la corriente axial)."
  7. ↑ Weinberg S. ¿Un nuevo bosón de luz? // Cartas de Revisión Física. - 1978. - vol. 40. - Pág. 223-226. — ISSN 0031-9007 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.40.223 .
  8. ↑ Flecha (casi) reversible de Wilczek F. Time  // Quanta Magazine. — 7 de enero de 2016.
  9. ↑ JE Kim, médico. Rvdo. Letón. 43 (1979), pág. 103;
    MA Shifman, AI Vainstein y VI Zakharov, Nucl. física B 166 (1980), pág. 493.
  10. ↑ AR Zhitnitsky, Sov. J. Nucl. física 31 (1980), pág. 260;
    M. Dine, W. Fischler y M. Srednicki, Phys. Letón. B 104 (1981), pág. 199
  11. ↑ 1 La precesión de espín de 2 electrones ayudará a encontrar axiones, 12/07/2018 . Consultado el 20 de julio de 2018. Archivado desde el original el 20 de julio de 2018.
  12. ↑ http://www.springerlink.com/index/N510QL1R33X37427.pdf  (enlace no disponible) Límites del axión astrofísico. G Raffelt - Axiones, 2008 - Springer.
  13. ↑ 1 2 Han estado buscando durante mucho tiempo, pero no pueden encontrar una copia de archivo fechada el 17 de abril de 2015 en Wayback Machine / Vladislav Kobychev, Sergey Popov // Troitsky Variant No. 4 (173), 24 de febrero de 2015
  14. ↑ El enigmático Sol: un crisol para la nueva física . Consultado el 27 de septiembre de 2014. Archivado desde el original el 17 de febrero de 2015.
  15. ↑ Sitio del experimento CAST (CERN Axion Solar Telescope) (enlace inaccesible) . Consultado el 2 de septiembre de 2005. Archivado desde el original el 15 de abril de 2013. 
  16. ↑ LD Duffy et al., Una búsqueda de alta resolución de axiones de materia oscura , Phys. Rvdo. D74 , 012006 (2006); ver también Preprint Archivado el 26 de julio de 2020 en Wayback Machine .
  17. ↑ Sitio del experimento ADMX Archivado el 29 de septiembre de 2006.
  18. ↑ Leslie Rosenberg. En busca de la oscuridad  // En el mundo de la ciencia . - 2018. - Nº 3 . - S. 76-85 .
  19. ↑ El Observatorio Internacional de Axiones (IAXO) . Consultado el 18 de abril de 2015. Archivado desde el original el 18 de abril de 2015.
  20. ↑ Teoría de cuerdas confirmada como falsa . Archivado el 30 de noviembre de 2020 en Wayback Machine // Lenta. Rusia , 20 de marzo de 2020
  21. ↑ Aprile E. et al. (Colaboración XENON), Observación de eventos de exceso de retroceso electrónico en XENON1T, arΧiv : 2006.09721v1 . 
  22. ↑ Wolchover, Natalie El experimento de la materia oscura encuentra una señal inexplicable  . Revista Quanta (17 de junio de 2020). Consultado el 18 de junio de 2020. Archivado desde el original el 17 de junio de 2020.
  23. ↑ Físico. Rvdo. Letón. 126, 021102 (2021) - La emisión de axiones puede explicar un nuevo exceso de rayos X duros de las estrellas de neutrones aisladas cercanas . Consultado el 26 de enero de 2021. Archivado desde el original el 25 de enero de 2021.

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