Axion
Axion – hipotetyczna cząstka elementarna przewidywana w ramach modelu Peccei‑Quinna, zaproponowanego w 1977 roku w celu rozwiązania tzw. problemu CP w fizyce cząstek. Axiony są bardzo lekkie, słabo oddziałujące z materią i potencjalnie mogą stanowić dużą część ciemnej materii we Wszechświecie.
Historia
Idea istnienia axionu wywodzi się z prac amerykańskich fizyków Roberta Peccei i Helen Rajantie, którzy w 1977 roku zaproponowali mechanizm spontanicznego łamania symetrii Peccei‑Quinna. W 1978 roku Frank Wilczek oraz, niezależnie, Steven Weinberg przedstawili własne modele, w których powstaje nowa cząstka – axion. W kolejnych dekadach wielokrotnie modyfikowano jej masę i sposoby oddziaływania, co doprowadziło do powstania tak zwanych axionów niewidzialnych (modele KSVZ i DFSZ).
Teoretyczne podstawy
W standardowym modelu cząstek Modelu Standardowego nie występuje naturalny mechanizm tłumaczący bardzo małą wartość parametru θ w chromodynamice kwantowej. Symetria Peccei‑Quinna wprowadza nową globalną symetrię U(1), której spontaniczne złamanie generuje pseudo‑skalarne bozonowe pole – axion. Dzięki temu skuteczny parametr θ zostaje „wyzerowany”, a problem CP zostaje rozwiązany.
Ocena masy i oddziaływań
Masę axionu wyznacza skala łamania symetrii Peccei‑Quinna, oznaczana jako f_a. Im wyższa f_a, tym lżejszy i słabiej oddziałujący axion. Typowe prognozy dają masy w przedziale od 10⁻⁶ eV do 10⁻³ eV, co sprawia, że axiony są doskonałymi kandydatami na ciemną materię typu zimna (ang. cold dark matter).
Rola w kosmologii
Wczesny Wszechświat mógł produkować axiony w procesach termicznych i poprzez mechanizm misalignementu pola axionowego. W zależności od parametrów, axiony mogłyby zgromadzić się w dużych ilościach, tworząc gęstość masy odpowiadającą obserwowanej ciemnej materii. Ponadto, niektóre modele łączą axiony z energią ciemną, co czyni je interesującymi w kontekście nowoczesnych teorii kosmologicznych.
Wykrywanie i eksperymenty
Ze względu na niezwykle słabe oddziaływanie, bezpośrednia detekcja axionu jest bardzo trudna. Najważniejsze techniki to:
- Eksperymenty typu „haloscopia” – np. ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), które wykorzystują duże rezonatory mikrofalowe w silnym polu magnetycznym, aby konwertować axiony na fotony.
- Eksperymenty helioskopowe – np. CAST (CERN Axion Solar Telescope), badające axiony pochodzące ze Słońca.
- Detektory kryształowe i nadprzewodniki – wykorzystujące zjawisko efektu Pekara w materiałach o niskiej temperaturze.
- Techniki interferometryczne – takie jak ABRACADABRA, które poszukują zmian pola magnetycznego wywołanych przez przejścia axion‑fotonu.
Dotychczas żaden eksperyment nie potwierdził istnienia axionu, ale wyznaczono liczne ograniczenia na jego masę i stałą sprzężenia g_{aγγ}, co wciąż dopuszcza szerokie spektrum parametrów.
Obecny stan badań
W latach 2020‑2025 rozpoczęto wiele nowych projektów, m.in. MADMAX, CAPP (Center for Axion and Precision Physics) i ALPS II, które zwiększają czułość w zakresie mas od 10⁻⁴ eV do 10⁻¹ eV. Również obserwacje kosmiczne, takie jak analiza promieniowania tła kosmicznego (CMB) i struktur wielkoskalowych, dostarczają pośrednich ograniczeń na udział axionów w ciemnej materii.