Что скрывает аксион: простыми словами о самой таинственной частице
В качестве бонуса, существование аксионов может также разрешить еще одну загадку науки — существование невидимой глазу темной материи, которая «склеивает» галактики в единую структуру.
Хотя ученые обнаружили некоторые дразнящие признаки их существования, физикам еще предстоит подтвердить, являются ли аксионы данностью, которую мы еще не открыли, или просто очередной удобной гипотезой, не имеющей под собой фактических оснований.
Что такое CP-симметрия?
C в этом случае означает заряд (отрицательный у электронов и положительный у протонов), в то время как P означает четность — термин, описывающий пространственные координаты частицы: например, изгибается ли она влево или клонится вправо.
Симметрия относится к изменениям, которые не имеют большого значения для конкретной функции, так же как поворот квадрата на 90 градусов не меняет того факта, что это квадрат.
Обычно изменение заряда частицы с положительного на отрицательный или наоборот меняет ее реакцию на заряд другой частицы.
Но если бы мы перевернули все заряды, участвующие в процессе, — превратив их, по сути, античастицы, — ничего бы не изменилось. В системе по-прежнему будут действовать все те же правила. Мы могли бы сказать, что целая Вселенная с инвертированным зарядом симметрична нашей.
Точно так же изменение пространственных координат так, чтобы наша Вселенная выглядела как зеркало, где лево теперь право, а право теперь лево, также будет работать на той же физике. Эта версия Вселенной с «перевернутой четностью» также будет симметричной.
Между прочим, у времени тоже есть своя симметрия. Согласно большинству физических моделей, перемотка процесса должна просто вернуть вас к начальной точке без каких-либо изменений.
Если мы рассмотрим любое конкретное правило в физике, то сможем сказать, что оно имеет CP-симметрию при условии, если работает одинаково после того, как будут одновременно перевернуты и заряд, и пространственные координаты. Однако именно здесь в дело вступает весьма любопытное исключение.
Физическая аномалия
В 1964 году группа, включавшая американского физика элементарных частиц Джеймса Кронина и физика-ядерщика Вэла Фитча, увидела в распаде двух разных типов пар кварк-антикварк, называемых каонами, нечто странное. Такую картину можно было бы увидеть только в том случае, если бы СР-симметрия не выполнялась для слабых взаимодействий.
Одно наблюдение порождает сомнения в стройности модели, но его все же можно отбросить как случайную погрешность. Однако в последние десятилетия более достоверные доказательства этого нарушения также проявились в частицах, состоящих из кварков, а также были замечены в экспериментах с другими частицами. Это укрепило в физиках уверенность в том, что настоящий разрыв существует, по крайней мере, в крошечном проценте взаимодействий.
В чем заключается «проблема CP»?
Мы не можем наблюдать СР-нарушения, когда кварки связаны в группы, поскольку они находятся внутри более крупных частиц, таких как протоны и нейтроны. Физики называют это сильной проблемой СР, и это досадный пробел в попытках обнаружить одновременные нарушения и зарядовой, и четной симметрии.
Однако Стандартная модель предполагает, что если мы уже видели какое-то явление в одном случае, то должны увидеть его и в другом. Значит, что-то не так. Возможно, что-то не так со Стандартной моделью. Или, возможно, для более стройной картины происходящего ей требуется дополнительное условие.
В 1977 году физики Роберто Печчеи и Хелен Куинн придумали решение, которое могло объяснить разницу, просто введя в физику поле нового типа. Очень удобно, не правда ли? Единственная проблема в том, что новое поле означает новую частицу, без заряда и с фантастически крошечной массой.
Ученые назвали ее «аксионом» в честь марки стирального порошка, в надежде, что он «уберет их беспорядок». К сожалению, вместо этого теория оставила на всей физике пятно, которое не так-то просто вывести.
Где все эти аксионы?
Несмотря на десятилетия поисков частиц с характеристиками аксиона, ничего конкретного найдено не было. Тем не менее, физики не прекращают поиски.
Один из методов заключается в попытке найти частицы, которые превращаются в фотоны при прохождении через магнитное поле. В то время как одни эксперименты не обнаружили следов этого явления, другие продолжают намекать на его возможность.
В 2020 году эксперимент под названием XENON1T дал результаты, которые можно интерпретировать как открытие аксионов, учитывая их точное соответствие. Свечение аксионов в магнитных полях также может объяснить неожиданное мерцание далекой темной зоны, наблюдаемое зондом New Horizons в 2022 году.
Однако физика — консервативная область, и потребуется гораздо больше данных, прежде чем кто-либо сможет с полным основанием заявить о существовании аксионов и описать их с научной точки зрения.
Что произойдет, если мы найдем аксионы?
Аксионы должны были в изобилии синтезироваться в ранней Вселенной, выскользнув из изначального поля в результате стремительного расширения мироздания до колоссальных размеров. Теория также предсказывает, что частицы будут тянуться к этому полю, замедляяясь и потому удаляясь друг от друга все медленнее.
Несмотря на их крошечную массу, огромное количество и относительно медленное движение этих частиц по-прежнему заставляли бы их слипаться в огромные тела, которые действовали бы сверхъестественно, совсем как темная материя.
Существование аксионов заполнило бы некоторые невероятные пробелы в нашем понимании Вселенной — точно так же, как бозон Хиггса заполнил ноющую брешь в наших знаниях о природе массе.