Färger, kvarkar och symmetri

Under 1970-talet gjordes arbete med kvantekromodynamik (QCD) i hopp om att upptäcka kvarkegenskaper och symmetrier som kanske kunde utvidgas till ny fysik. Olika kategorier i QCD betecknas med deras färg, och forskare märkte att symmetri mellan färger var distinkt och tycktes ha diskreta transformationsregler som var svåra att fastställa. Något som kallas en vakuumparameter som finns i QCD goofs upp laddningsparitetssymmetri (där en partikel och dess anti-partner också speglar varandra) och kan inte redovisa bristen på ett neutronelektriskt dipolmoment. Parametern har visat sig vara på faktorn 10-9 (vilket skulle sluta innebära att ingen kränkning hade inträffat) men borde vara av faktor 1 (baserat på experiment som involverar neutronen). Detta starka CP-problem verkar vara en direkt följd av de svåra att fastställa regler för QCD men ingen är säker. Men en lösning hittades 1977 i form av en potentiell ny partikel. Denna pseudo-Nambu-Golstone-boson från Peccei-Quinn-lösningen på det starka CP-problemet kallas bekvämt en axion. Det resulterar från att lägga till en ny symmetri till universum där en färgavvikelse finns och som gör att vakuumparametern istället kan vara en variabel. Detta nya fält skulle ha en axion som sin partikel och det skulle kunna ändra vakuumvariabeln genom att ändra från en masslös partikel till en ökande. (Duffy, Peccei, Berenji, Timmer).

Alla dessa färger ... |

Vårt bästa hopp på upptäckt? |

Axionmöjligheter

Två stora modeller förutsäger att axioner är tillräckligt låga för att undvika uppenbar detektering. I Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov-modellen reglerar standardmodellen högsta och därför har axionen en electroweak symmetri-anslutning som ansluter till en ny tung kvark för att förhindra en känd kvark med för mycket massa. Det är interaktionen mellan denna tunga kvark med de andra fälten som genererar de axioner vi kunde se. Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky-modellen har axionsbeteende resultat istället från Higgs interaktioner med de andra fälten. Dessa möjligheter resulterar i en svagt samverkande men massiv partikel, även en WIMP, som är en ledande kandidat för ... mörk materia (Duffy, Aprile).

Förhållandet mellan axioner och Higgs-bosonerna kan vara mer subtilt än vad man först trodde. Arbet av David Kaplan (John Hopkins University), Peter Graham (Stanford University) och Surjeet Rajendran (University of California i Berkley) försöker fastställa hur axionen "avslappnade" massan i Higgs boson. Detta tillvägagångssätt härrörde från det förvånande resultatet av att Higgs bosonmassevärdet var mycket mindre än förutsagt. Något ledde till att kvantbidragen minskade avsevärt, och forskare fann att om värdet på det inte fastställdes vid universumets födelse utan i stället var flytande genom ett axionsfält. När han befann sig i ett kondenserat utrymme initialt vid Big Bang, spridde det sig ut tills dess effekter minskades och Higgs-fältet dök upp. Men enorma kvarkar var närvarande när de stjal energi från axionsfältet och låste därför in Higgs-massan. Detta fält skulle ha andra intressanta egenskaper som också skulle förklara de tidsoberoende interaktionerna mellan neutroner och protoner och också ge mörka ämnen som resultat (Wolchover).

Men ännu mer exotiska möjligheter finns där ute. Enligt en gren av strängteori kan kalla axioner uppstå från "vakuumjustering och stark och väggförfall", eftersom den nya symmetrin bryts men hur mycket var och en var ansvarig för beror på när symmetrin brast i relation till inflation, aka temperaturen vid vilken energin som behövs inte längre finns. När det är gjort kommer ett axionsfält att finnas om detta brott inträffar förbi inflationen. Eftersom axionerna inte är termiskt kopplade till universum, skulle de vara separata och kan fungera som vår mörka materia som förblir svårfångad (Duffy).

Det är rimligt att fråga varför partikelacceleratorer som LHC inte används här. De skapar ofta nya partiklar i deras snabba kollisioner, varför inte här också? En följd av axioner är att de inte interagerar bra med materien, vilket faktiskt är en anledning till att de gör en så stor kandidat för mörk materia. Så hur kan vi söka efter dem? (Ouellette)

På jakt

Axioner kan genereras av en foton som stöter på en virtuell proton (en som vi aldrig mäter) i ett magnetfält och kallas Primakoff-effekten. Och eftersom fotoner påverkas av EM-fält om man får ett superhög magnetfält och isolerar kan det en gång manipulera fotonkollisioner och punktaxioner. Man kan också utnyttja processen för att de ska bli RF-fotoner genom att sätta upp en kammare för att resonansera i mikrovågsdelen av spektrumet genom att ha ett lämpligt magnetfält (Duffy).

Den första metoden drivs av experimentet Axion Dark Matter Experiment (ADMX), som använder sitt magnetfält för att konvertera axioner till radiovågfotoner. Det startade 1996 vid Lawrence Livermore National Laboratory men har sedan flyttat till University of Washington i Seattle 2010. Det letar efter axionmassor runt 5 mikroelektron volt baserat på några av de nämnda modellerna. Men arbete av Zoltan Fodor kan förklara varför teamet inte har hittat någonting, för han fann att massområdet är troligtvis 50-1500 istället (efter en smart anpassning), och ADMX kan bara upptäcka från 0, 5 till 40. Han fann detta resultat efter att ha testat den temperaturfaktorn i en simulering av det tidiga universum och sett hur axioner producerades (Castelvecchi, Timmer).

Ett annat experiment som genomfördes var XENON100 lokaliserad vid Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Den använder en analog process som den fotoelektriska effekten för att söka efter solaxlar. Genom att ta hänsyn till spridning, materialkombination och frikoppling bör det vara möjligt att upptäcka axionsflödet som kommer från solen. För att upptäcka de potentiella WIMP: erna har en cylindrisk tank med flytande xenon med dimensioner 0, 3 meter med 0, 3 meter i diameter fotodetektorer över och under den. Om axionen får en träff så kommer fotodetektorerna att kunna se signalen och jämföra den med teori (Aprile).

För dem som söker efter några få nyckelalternativ pågår också flera laboratorietester. Den ena innebär att man använder atomklockor för att se om pulserna som ges av atomerna fluktueras av axionpartiklar som interagerar med emissionerna. En annan involverar Weber-barer, beryktade för deras användning vid antydan till gravitationvågor. De fibrerar vid en specifik frekvens beroende på interaktionen med dem och forskare vet vilken signal en axion borde ge om man skulle träffa en Weber-bar. Men kanske det mest kreativa innebär foton till axion till fotontransformationer som involverar magnetfält och en solid vägg. Det går så här: fotoner träffar ett magnetfält framför en solid vägg, blir axioner och passerar genom väggen på grund av deras svagt samverkande natur. En gång genom väggen möter de ett annat magnetfält och blir fotoner igen, så om man säkerställer en tät behållare utan inflytande utanför, om man ser ljus kan forskare ha axlar på händerna (Ouellette).

Med hjälp av en kosmologisk metod fann B. Berenji och ett team ett sätt att titta på neutronstjärnor med hjälp av Fermi Space Telescope och observera hur en neutrons magnetfält får andra neutroner att retardera, vilket orsakar en gammastrålning från axionen i storleksordningen 1MeV till 150 MeV via Primakoff-effekten. De valde specifikt neutronstjärnor som inte var kända gammastrålekällor för att öka chansen att hitta en unik signatur i data. Deras jakt kom inte upp men förfinade gränserna för vad massan kunde vara. Neutronstjärnens magnetfält kan också få våra axioner att konvertera till fotoner från ett tätt band med radiovågor som släpps ut, men detta gav också bekräftelser (Berenji, Lee).

En annan metod som använde Fermi innebar att man tittade på NGC 175, en galax som ligger 240 miljoner ljusår bort. När ljuset från galaxen får sitta på oss möter det magnetfält som sedan bör integrera Primakoff-effekten och orsaka axier till gammastråleutsläpp och vice versa. Men efter en 6-årig sökning hittades ingen sådan signal (O'Neill).

En ännu närmare strategi involverar vår sol. Inuti dess turbulenta kärna har vi fusionskamningselement och släpper fotonerna som så småningom lämnar den och når oss. Även om Primakoff-effekten, Compton-effekten (som ger fotoner mer energi via kollisioner) och elektronspridning via magnetfält, bör axioner vara rikliga i produktion här. XXM-Newton-satelliten letade efter tecken på denna produktion i form av röntgenstrålar, som är högenergi och en del av spektrumet som den är lätt att utforma för. Det kan emellertid inte peka direkt mot solen och så kan detekteringar som den gör i bästa fall vara delvis. Med hänsyn till detta och man hittar fortfarande inga bevis för axionproduktion i solen (Roncadelli).

Men ett nytt fält för axionsdetektering är under utveckling på grund av den senaste upptäckten av tyngdkraftsvågor, som förutspåddes av Einstein för över 100 år sedan. Asimina Arvanitaki (Ontario's Perimeter Institute of Theoretical Physics) och Sara Dimopoulos (Stanford University) fann att axioner borde ta tag i svarta hål för när de roterar i rymden tar de tag i ljus också i det vi kallar ergo-regionen. Och när ljuset börjar röra sig kan det kollidera för att bilda axioner, med lite energi som faller in i händelseshorisonten och vissa undgår det svarta hålet med en högre energi än tidigare. Nu har ett gäng partiklar runt det svarta hålet som fungerar som en fälla, och håll dessa fotoner fångade i. Processen växer och så småningom börjar axioner ackumuleras via Primakoff-effekten. De samlar i sin tur energi och vinkelmoment och bromsar ner det svarta hålet tills deras omloppsegenskaper speglar en vätgasvågfunktion. När man tittar på tyngdkraftsvågorna skulle man hitta massan och snurret på föremålen innan de slogs samman och från det kunde man hitta ledtrådar för axioner (Sokol).

Inget hittades ännu, men hänga där inne. Se hur lång tid det tog innan tyngdkraftsvågor hittades. Det är säkert bara en fråga om tid.

Citerade verk

Aprile, E. et al. Första Axion-resultat från XENON100-experimentet . arXiv 1404.1455v3.

Berenji, B. et al. Begränsningar för axioner och axionliknande partiklar från Fermi Telescope Observations of Neutron Stars i stort område . arXiv 1602.00091v1.

Castelvecchi, Davide. Varningsvarning! Exotisk-partikeldetektor kan missa mörka ämnen. Nature.com . Macmillan Publishers Limited, 2 november 2016. Webben. 17 augusti 2018.

Duffy, Leanne D. och Karl van Bibber. Lägen som Dark Matter Particles. arXiv 0904.3346v1.

Lee, Chris. "Pulsars kunde omvandla mörk materia till något vi kunde se." arstechnica.com . Conte Nast., 20 december 2018. Webben. 15 augusti 2019.

O Neill, Ian. Axion-liknande partiklar Förmodligen inte ett mörkt Matter svar. Seeker.com . Discovery News, 22 april 2016. Webben. 20 augusti 2018.

Ouellette, Jennifer. Atomiska klockor och solida väggar: Nya verktyg i jakten på mörk materia. arstechnica.com. 15 maj 2017. Webben. 20 augusti 2018.

Peccei, RD The Strong CP Problem and Axions. arXiv 0607268v1.

Roncadelli, M. och F. Tavecchio. Inga axioner från solen. arXiv 1411.3297v2.

Sokol, Joshua. Mining Black Hole Collisions for New Physics. Quantamagazine.com . Quanta, 21 juli 2016. Webben. 20 augusti 2018.

Timmer, John. Använd universum för att beräkna massan för en mörk materia-kandidat. Arstechnica.com . Conte Nast., 02 nov. 2016. Web. 24 september 2018.

Wolchover, Natalie. En ny teori för att förklara Higgs-massan. Quantamagazine.com . Quanta, 27 maj 2015. Webb. 24 september 2018.