Выйти из тени.
Физики в поисках новых частиц.
В современной физике элементарных частиц важнейшую роль играют принципы внутренней симметрии (инвариантности) и нарушения этой симметрии. Так, при замене частиц на античастицы при инверсии знаков всех пространственных координат и при обращении хода времени законы (уравнения) могут сохраняться. Первая симметрия обозначается буквой С (charge - заряд), вторая - Р (parity - четность), третья - Т (time - время). Иногда рассматривают сразу несколько преобразований и тогда говорят о CP-симметрии или CPT-симметрии.
Экспериментально было давно обнаружено, что СР симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, а в ядерных взаимодействиях не нарушается, хотя в стандартной теории нет механизма, который препятствовал бы это нарушение. Теоретиками был предложен новый тип симметрии, который получил название механизма Печчеи - Квинн. Спонтанное нарушение этой симметрии предполагает существование новой частицы - аксиона. Это одна из гипотетических частиц тёмной материи. С обычной материей они почти не взаимодействуют. Модель Печчеи - Квинн предсказывает еще два важных свойства аксиона - спин (он должен быть нулевым) и внутреннюю чётность (она отрицательна). Частицы с такими свойствами в квантовой теории поля называются псевдоскалярами. Примером псевдоскаляра является нейтральный пи-мезон, давно известный и хорошо изученный. Аксионы, как и все псевдоскаляры, могут распадаться на два фотона. И наоборот, два фотона (один из которых может быть виртуальным), встретившись, могут, хотя и с очень малой вероятностью, образовать аксион.
Как обнаружить аксионы? Для этого надо использовать эффект Примакова. Он заключается в том, что в сильном статическом электрическом или магнитном поле (то есть при взаимодействии с виртуальным фотоном) аксионы превращаются в реальные фотоны. Один из экспериментов CAST, проводимый в ЦЕРНЕ основан на обратном эффекте Примакова - на превращении аксионов в фотоны в магнитном поле. Источник аксионов - Солнце, прибор для регистрации сделан из десятиметрового электромагнита, оставшегося после создания БАК. Силовые линии перпендикулярны оси магнита. Соответственно, аксион, двигаясь вдоль длинной оси магнита, будет наиболее эффективно превращаться в фотоны. Утром и вечером "телескоп" направляют на Солнце. Правда, результатов пока нет
Баксанский эксперимент. Основан на том, что аксионы, родившись где-то на Солнце могут испускаться возбужденными ядрами самых разных элементов. Энергия испущенных аксионов зависит от свойств ядра и строго фиксирована. Процесс может быть обращен, то есть аксионы с данной энергией могут поглощаться ядрами, которые перейдут в возбужденное состояние, а затем вернутся обратно в основное состояние, испустив гамма-квант, причем с энергией такой же, как у первоначального аксиона. Эти гамма кванты и будут регистрироваться. Очень удобный с точки зрения создания детектора оказался криптон-83. етектор (газовая пропорциональная камера из сверхчистой меди) уже начал работать и выдавать первые результаты.
Интересный механизм обнаружения аксионов предложили астрофизики. Новые расчеты предсказывают, что вращающиеся черные дыры могут накапливать облака частиц-аксионов, а те - приводить к появлению гравитационных волн. Их могут заметить детекторы, подобные известной обсерватории LIGO, тем самым подтвердив существование аксионов, безуспешная «охота» за которыми продолжается уже десятилетия. С таким предложением выступили физики-теоретики из США и Канады в статье, опубликованной журналом Physical Review D.
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.81.123530
Совершенно новый подход к этой задаче предложила группа физиков во главе с канадской ученой Асиминой Арванитаки (Asimina Arvanitaki). По их расчетам, аксионы, оказавшиеся на орбите близ черной дыры и ускоренные ее вращением, должны попасть под действие сверхизлучения - процесса, который лавинообразно увеличивает количество частиц, как это происходит с фотонами в рабочем теле лазера.
Сверхизлучение развивается только в том случае, если длина волны аксиона сравнима с размерами самой черной дыры и, соответственно, масса частицы исключительно невелика - по расчетам Арванитаки и ее коллег, аксион должен быть в десятки тысяч и даже миллионов раз легче, чем та область масс, где его ищут сейчас в лабораторных экспериментах. При таких условиях эти частицы должны накапливаться у самого горизонта событий вращающейся черной дыры в больших количествах.
Заметить их позволят гравитационные волны. Ученые указывают, что столкновение аксионов внутри такого облака должно порождать стабильный ряд гравитационных волн, длина которых зависит от массы аксионов. Наблюдать гравитационные волны мы уже умеем - и у нас есть для этого действующий детектор LIGO, который в 2016 г. впервые «поймал» их, а вскоре заработают и новые такие инструменты. Возможно, они принесут новое громкое открытие - первые подтверждения существования аксионов.
В современной физике элементарных частиц важнейшую роль играют принципы внутренней симметрии (инвариантности) и нарушения этой симметрии. Так, при замене частиц на античастицы при инверсии знаков всех пространственных координат и при обращении хода времени законы (уравнения) могут сохраняться. Первая симметрия обозначается буквой С (charge - заряд), вторая - Р (parity - четность), третья - Т (time - время). Иногда рассматривают сразу несколько преобразований и тогда говорят о CP-симметрии или CPT-симметрии.
Экспериментально было давно обнаружено, что СР симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, а в ядерных взаимодействиях не нарушается, хотя в стандартной теории нет механизма, который препятствовал бы это нарушение. Теоретиками был предложен новый тип симметрии, который получил название механизма Печчеи - Квинн. Спонтанное нарушение этой симметрии предполагает существование новой частицы - аксиона. Это одна из гипотетических частиц тёмной материи. С обычной материей они почти не взаимодействуют. Модель Печчеи - Квинн предсказывает еще два важных свойства аксиона - спин (он должен быть нулевым) и внутреннюю чётность (она отрицательна). Частицы с такими свойствами в квантовой теории поля называются псевдоскалярами. Примером псевдоскаляра является нейтральный пи-мезон, давно известный и хорошо изученный. Аксионы, как и все псевдоскаляры, могут распадаться на два фотона. И наоборот, два фотона (один из которых может быть виртуальным), встретившись, могут, хотя и с очень малой вероятностью, образовать аксион.
Как обнаружить аксионы? Для этого надо использовать эффект Примакова. Он заключается в том, что в сильном статическом электрическом или магнитном поле (то есть при взаимодействии с виртуальным фотоном) аксионы превращаются в реальные фотоны. Один из экспериментов CAST, проводимый в ЦЕРНЕ основан на обратном эффекте Примакова - на превращении аксионов в фотоны в магнитном поле. Источник аксионов - Солнце, прибор для регистрации сделан из десятиметрового электромагнита, оставшегося после создания БАК. Силовые линии перпендикулярны оси магнита. Соответственно, аксион, двигаясь вдоль длинной оси магнита, будет наиболее эффективно превращаться в фотоны. Утром и вечером "телескоп" направляют на Солнце. Правда, результатов пока нет
Баксанский эксперимент. Основан на том, что аксионы, родившись где-то на Солнце могут испускаться возбужденными ядрами самых разных элементов. Энергия испущенных аксионов зависит от свойств ядра и строго фиксирована. Процесс может быть обращен, то есть аксионы с данной энергией могут поглощаться ядрами, которые перейдут в возбужденное состояние, а затем вернутся обратно в основное состояние, испустив гамма-квант, причем с энергией такой же, как у первоначального аксиона. Эти гамма кванты и будут регистрироваться. Очень удобный с точки зрения создания детектора оказался криптон-83. етектор (газовая пропорциональная камера из сверхчистой меди) уже начал работать и выдавать первые результаты.
Интересный механизм обнаружения аксионов предложили астрофизики. Новые расчеты предсказывают, что вращающиеся черные дыры могут накапливать облака частиц-аксионов, а те - приводить к появлению гравитационных волн. Их могут заметить детекторы, подобные известной обсерватории LIGO, тем самым подтвердив существование аксионов, безуспешная «охота» за которыми продолжается уже десятилетия. С таким предложением выступили физики-теоретики из США и Канады в статье, опубликованной журналом Physical Review D.
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.81.123530
Совершенно новый подход к этой задаче предложила группа физиков во главе с канадской ученой Асиминой Арванитаки (Asimina Arvanitaki). По их расчетам, аксионы, оказавшиеся на орбите близ черной дыры и ускоренные ее вращением, должны попасть под действие сверхизлучения - процесса, который лавинообразно увеличивает количество частиц, как это происходит с фотонами в рабочем теле лазера.
Сверхизлучение развивается только в том случае, если длина волны аксиона сравнима с размерами самой черной дыры и, соответственно, масса частицы исключительно невелика - по расчетам Арванитаки и ее коллег, аксион должен быть в десятки тысяч и даже миллионов раз легче, чем та область масс, где его ищут сейчас в лабораторных экспериментах. При таких условиях эти частицы должны накапливаться у самого горизонта событий вращающейся черной дыры в больших количествах.
Заметить их позволят гравитационные волны. Ученые указывают, что столкновение аксионов внутри такого облака должно порождать стабильный ряд гравитационных волн, длина которых зависит от массы аксионов. Наблюдать гравитационные волны мы уже умеем - и у нас есть для этого действующий детектор LIGO, который в 2016 г. впервые «поймал» их, а вскоре заработают и новые такие инструменты. Возможно, они принесут новое громкое открытие - первые подтверждения существования аксионов.
Click to view