Axió

De Viquipèdia
Jump to navigation Jump to search
Infotaula de partículaAxió
Classificació real neutral particle Tradueix, partícula hipotètica, partícula elemental i bosó
Estadística Hipotètica
Interaccions Gravetat, Electromagnètica
Teorització 1977, Peccei i Quinn
Massa 10−6 to 1 eV/c2
Càrrega elèctrica 0
Espín 0
Supercompanya axí
Modifica dades a Wikidata

Un axió és una partícula elemental hipotètica postulada a la teoria de Peccei–Quinn el 1977 per resoldre el problema CP fort en cromodinàmica quàntica. Si els axions existissin i tinguessin una massa baixa entre un rang específic, podrien ser un component de la matèria fosca freda.

El nom de la partícula es deu a Frank Wilczek, que l'anomenà a partir d'una marca de detergent, ja que va considerar que el problema que embrutava la cromodinàmica quàntica quedava «netejat».[1]

Predicció teòrica[modifica]

La cromodinàmica quàntica prediu que la interacció forta viola la simetria CP, la violació de les simetries combinades de conjugació de càrrega i paritat. No obstant, mai no s'ha observat aquesta violació. El paràmetre que quantifica aquesta violació, representat per , constitueix una constant fonamental únicament no predita per la teoria i per tant ha de ser mesurada. D'altra banda, les interaccions que violen aquesta paritat de forma important haurien proporcionat als neutrons un moment dipolar intens.[2] Les observacions, que demostren l'absència o la intensitat molt feble d'aquest efecte, imposen que el paràmetre sigui molt feble, quasi nul. No obstant, en teoria, aquest paràmetre pot prendre tots els valors entre 0 i 2π, i no existiria cap raó per la qual sigui feble o nul: fet que es coneix com el «problema CP fort».

Existeix una solució simple: Si almenys un dels quarks del model estàndard fos no massiu, Θ esdevé inobservable; això és, desapareix de la teoria. No obstant, proves empíriques suggereixen que tots els quarks són massius i per tant el problema CP fort persisteix.

El 1977, Roberto Peccei i Helen Quinn postularen una solució al problema CP fort, el mecanisme de Peccei–Quinn. La idea és promoure efectivament Θ a un camp (partícula). Això s'acomplexi afegint una nova simetria global (anomenada simetria Peccei–Quinn) al model estàndard que resulta espontàniament trencada. Una vegada aquesta simetria global és trencada, apareix una nova partícula i prenent el rol de Θ—relaxant naturalment el paràmetre de violació CP a zero. Aquesta nova partícula hipotètica s'anomena axió. [D'una manera més tècnica, l'axió seria el bosó de Nambu–Goldstone que resulta del trencament espontani de la simetria Peccei–Quinn. No obstant, els efectes del buit QCD no trivial (per exemple instantons) trenquen la simetria Peccei–Quinn explícitament i proporcionen una petita massa a l'axió. Llavors, l'axió és, de fet, un pseudo-bosó de Nambu–Goldstone.] L'axió Weinberg-Wilczek original ha estat exclòs per les dades. Actualment, el mecanisme de l'axió es discuteix en la forma d'axió invisible el qual existeix en dues versions: l'axió KSVZ[3][4] i l'axió DFSZ.[5][6]

Recerca experimental[modifica]

S'han dut a terme diferents experiments per detectar els axions, entre els quals n'hi ha un que afirma haver obtingut resultats positius.

L'experiment PVLAS italià, la llum polaritzada es propaga a través d'un camp magnètic d'un imant dipolar de 5 T a la recerca de petites rotacions anòmales de la direcció de la polarització. Aquest concepte fou proposat per primera vegada per Luciano Maiani, Roberto Petronzio i Emilio Zavattini el 1986,[7] basat en la idea que si existissin els axions, els fotons podrien interactuar amb el camp per convertir-se en axions reals o virtuals. Aquesta rotació és molt petita i difícil de detectar, però aquest problema es pot solucionar reflectint la llum enrere i endavant a través del camp magnètic milions de vegades. Els resultats més recents de PVLAS detecten una rotació anòmala, la qual es podria interpretar en termes d'un axió de massa 1–1,5 meV. No obstant, hi ha altres possibles fonts per a tals efectes a part dels axions.[8]

Alguns experiments busquen axions d'origen astrofísic utilitzant l'efecte Primakoff. Aquest efecte causa conversions d'axions en fotons i viceversa en camps electromagnètics forts. Els axions es poden produir en el nucli del Sol quan els raigs X dispersen electrons i protons en presència de camps elèctrics forts i es converteixen en axions. El detector CAST du a terme actualment un experiment per observar aquests axions convertits en raigs X en camps magnètics forts. L'experiment de matèria fosca d'axió (ADMX) cerca axions lleugers que interactuin de manera feble saturant l'halo de matèria fosca de la nostra galàxia.[9] ADMX és un camp magnètic fort dins una cavitat de microones freda. Els axions que coincideixen amb la freqüència de la cavitat es desintegren en fotons de microones. L'ADMX ha exclòs els models d'axió més optimistes en el rang de masses de 1.9 μeV a 3.53 μeV.[10] 'experiment de la cavitat de microona no va detectar entre el 1996 i el 2010 axions de massa compresa entre els 1.98–2.17 µeV i una freqüència entre 450 i 850 MHz.[11] L'ADMX està prenent noves dades després d'una sèrie de millores

Un altre mitjà per a la recerca d'axions és mitjançant els anomenats experiments de llum filtrada a través de murs,[12] on un raig de llum passa a través d'un intens camp magnètic en un intent d'observar la conversió de fotons quan travessen una planxa d'alumini que bloca el pas dels fotons. No obstant, aquestes pràctiques tenen una baixa eficàcia, necessiten un flux inicial de fotons alt. Un experiment recent tenia la sensibilitat necessària per a detectar aquest efecte si el senyal de PVLAS wl 2005 era degut a axions; però, no es va observar l'efecte.[13]

El 9 de juliol de 2007, uns experiments liderats per Carlo Rizzo[13] els Centre National de la Recherche Scientifique indicaren amb un nivell de confiança del 94% o major, que els resultats de l'experiment PVLAS eren incorrectes i no provaven l'existència de l'axió.[13] Els experiments duts a terme el 2007 i els anteriors al 2006 no estaven d'acord amb els resultats obtinguts pel PVLAS.[14][13]

L'experiment dut a terme per l'equip de Rizzo difereix de l'aproximació dels investigadors italians en el fet que al final de la cambra de buit s'hi havia situat una planxa d'alumini[13] per evitar que els fotons d'un làser adjacent passessin a través de la planxa mentre els axions passarien simplement i es convertirien en fotons,[13] d'aquesta manera es podria observar la petita proporció de partícules que suposadament es convertirien—fins a 4×1022
fotons.[13]

Amb l'ús de mesuraments òptics i raigs de llum, l'equip mostrà a través de la il·lustració de la corba d'exclusió comparada amb l'experiment PVLAS i una altra conduïda pel BFRT,[13] que els axions havien estat eliminats tot i que encara era una hipòtesi vàlida;[13] l'experiment és un pas important en el coneixement de la partícula, amb la possibilitat d'un axió acoblat.[13]

Uns dies abans, el 23 de juny, el PVLAS publicà un article,[15] on s'explicaven els avenços en els seus sistemes de mesures per tal d'incrementar la precisió dels seus resultats amb respecte als obtinguts l'any anterior,[15] usant camps de 2,3 i 5,5 T[15] i longitud d'ona de 1064 nm.[15] Amb aquest increment de la precisió, el PVLAS afirma que s'ha desestimat la interpretació de la partícula d'axió[15] a causa de l'absència d'un senyal de rotació en els nivells de 1,2×10−8
 rad
×5,5 T i 1,0×10−8
 rad
×2,3 T amb 45.000 passos.[15]

Referències[modifica]

  1. Wilczek, Frank. «Problem of strong P and T invariance in the presence instantons», 1978.(anglès)
  2. El neutró, partícula neutre globalment, pot ser vist com una superposició de dues càrregues que es neutralitzen.
  3. Kim, J.E. Phys. Rev. Lett., 43, 1979, pàg. 103.(anglès)
  4. Shifman, M.; Vainshtein, A.; Zakharov, V. Nucl. Phys., B166, 1980, pàg. 493.(anglès)
  5. Dine, M.; Fischler, W.; Srednicki, M. Phys. Lett., B104, 1981, pàg. 199.(anglès)
  6. Zhitnitsky, A. Sov. J. Nucl. Phys., 31, 1980, pàg. 260.(anglès)
  7. Maiani, L.; Petronzio, R.; Zavattini, E. «Effects of nearly massless, spin-zero particles on light propagation in a magnetic field». Phys. Lett., 175, 3, 1986, pàg. 359–363. Bibcode: 1986PhLB..175..359M. DOI: 10.1016/0370-2693(86)90869-5.
  8. Steve Reucroft, John Swain. Axion signature may be QED CERN Courier, 2006-10-05
  9. Duffy, L. D.; Sikivie, P.; Tanner, D. B.; Bradley, R. F.; Hagmann, C. «High resolution search for dark-matter axions». Physical Review D, 74, 2006, pàg. 12006. arXiv: astro-ph/0603108. Bibcode: 2006PhRvD..74a2006D. DOI: 10.1103/PhysRevD.74.012006.
  10. Asztalos, S. J.; Carosi, G.; Hagmann, C.; Kinion, D.; Van Bibber, K. «SQUID-Based Microwave Cavity Search for Dark-Matter Axions». Physical Review Letters, 104, 4, 2010, pàg. 41301. arXiv: 0910.5914. Bibcode: 2010PhRvL.104d1301A. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.041301.
  11. Phase 1 Results, dated 2006-03-04
  12. Ringwald, A. «Electromagnetic Probes of Fundamental Physics - Proceedings of the Workshop». Workshop on Electromagnetic Probes of Fundamental Physics [Erice, Italy], 2003, pàg. 63–74. arXiv: hep-ph/0112254. DOI: 10.1142/9789812704214_0007.
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 13,5 13,6 13,7 13,8 13,9 Robilliard, C.; Battesti, R.; Fouche, M.; Mauchain, J.; Sautivet, A.-M. «No "Light Shining through a Wall": Results from a Photoregeneration Experiment». Physical Review Letters, 99, 19, 2007, pàg. 190403. arXiv: 0707.1296. Bibcode: 2007PhRvL..99s0403R. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.190403. PMID: 18233050.
  14. Andriamonje,S., et al. (CAST Collaboration), Journal of Cosmological Astroparticle Physics 4, 10 (2007); Duffy, L. D, et al., Physical Review D, vol 74, 110406 (2006)
  15. 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 15,5 Zavattini, E.; Zavattini, G.; Ruoso, G.; Polacco, E.; Milotti, E. «Experimental Observation of Optical Rotation Generated in Vacuum by a Magnetic Field». Physical Review Letters, 96, 11, 2006, pàg. 110406. arXiv: hep-ex/0507107. Bibcode: 2006PhRvL..96k0406Z. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.110406. PMID: 16605804.