Аксионы решат еще одну серьезную проблему в физике

Пока политики продолжают свои свары, а мир продолжает трястись от пандемии, физики продолжают заниматься своим делом. Научно-популярный сайт Quanta рассказывает о свойствах одной гипотетической элементарной частицы, объясняющей, почему вещества во Вселенной больше, чем антивещества.

Физики уже давно выстраивают гипотезы о существовании крошечных элементарных частиц под названием аксион и говорят, что они помогут разрешить две загадки. Во-первых, они помогут пролить свет на загадочные свойства кварков — элементарных частиц, находящихся внутри протонов и нейтронов. А во-вторых, они могут составлять темную материю, которая заполняет космос. Сейчас же авторы новой работы, которая будет опубликована на этой неделе в журнале «Физикал Ревю Летерс» (Physical Review Letters), показывают, что аксион может стать тем редким выстрелом, который убьет и третьего зайца, решив вопрос о том, почему вещества во Вселенной гораздо больше, чем антивещества.

«Мы обнаружили некие новые свойства аксиона, которые создают асимметрию вещества и антивещества», — сказал физик Кейсуке Харигая (Keisuke Harigaya), работающий в Институте перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, и проведший это исследование совместно с Реймондом Ко (Raymond Co) из Мичиганского университета.

Физик Майкл Дайн (Michael Dine), являющийся ведущим специалистом по аксионам и работающий в Калифорнийском университете в Санта-Круз, назвал исследование Ко и Харигаи «безусловно интересной заявкой», в которой «говорится о том, почему аксион может оказаться важным в космологии в тех аспектах, которые, насколько мне известно, ранее не рассматривались».

Новая концепция, получившая название аксиогенез, может подтолкнуть ученых к экспериментальным поискам аксиона. Некоторые из них, в том числе, эксперимент ADMX в Вашингтонском университете, уже проводятся, а другие запланированы или готовятся в лабораториях по всему миру.

Мысль о существовании этой частицы изложена в работах физиков Роберто Печчеи (Roberto Peccei) и Хелен Куинн (Helen Quinn), которые в 1977 году предположили существование поля энергии, пронизывающего все космическое пространство. Они показали, как это энергетическое поле решит «серьезную задачу СР» — возможно, самую большую загадку природы, решения которой никто не знает. Эта задача состоит в вопросе, почему сильное ядерное взаимодействие воздействует на кварки точно так же, как на антикварки, отраженные в зеркале; то есть, почему взаимодействие учитывает симметрию зарядовой четности (или СР, charge-parity). Суть вопроса сводится к тому, почему определенный угол в уравнениях, описывающих сильное ядерное взаимодействие, имеет значение ноль. Угол θ, или тэта, мог бы варьироваться от нуля до 360 градусов, отображая степень различия между кварками и зеркально отображенными антикварками. Так, аналогичный угол, связанный со слабым ядерным взаимодействием, имеет значение около 43,5 градуса. Но измерения показали, что θ составляет менее 0,000000001 градуса.

Поле Печчеи и Куинн позволило θ естественным образом упасть до нуля при рождении Вселенной. Лауреаты Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) и Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) изучили связанную с полем частицу, которую Вильчек назвал аксионом в честь стирального порошка. А позже исследователи поняли, что невидимые частицы аксионы могут обладать свойствами, присущими темной материи, составляющей недостающие 5/6 космоса. В настоящее время аксион является одним из ведущих кандидатов на включение в темную материю, и он же остается наиболее известным решением проблемы зарядовой четности.

Но через долю секунды после рождения Вселенной, когда θ снижалась до нуля, произошла еще одна загадочная вещь. Возникло больше частиц вещества, чем частиц антивещества. Если бы этого не произошло, равные количества вещества и антивещества уничтожили бы друг друга, и мы бы не существовали.

Ко и Харигая, которые начали сотрудничать несколько лет назад, будучи аспирантом и защитившимся научным сотрудником (соответственно) Калифорнийского университета в Беркли, обнаружили, что через несколько миллиардных долей секунды после рождения Вселенной, когда аксионное поле устремлялось к своему стабильному состоянию, θ могла и не уменьшиться сразу до нуля; скорее, по пути ее значение могло циклически меняться от нуля до 360 градусов. Это вызвало бы вращение аксионного поля, создавая избыток вещества над антивеществом.

Чтобы понять, как вращение аксионного поля может объяснить асимметрию вещества и антивещества, представьте себе дно бутылки с вином или, как предпочитают это делать Печчеи и Куинн, мексиканскую шляпу с очень высокими полями. Это форма математической функции, определяющей аксионное поле. Угол θ соответствует угловому положению вокруг шляпы, а высота тульи или полей шляпы отражает количество энергии в поле.

Когда аксионное поле теоретически возникло в ранней Вселенной, эффект был похож на падение мраморного шарика на край мексиканской шляпы. Положение шарика на ней отражает свойства поля.

Естественно, шарик скатится по полю к центру шляпы. Расчеты Печчеи и Куинн показали, что шляпа, если рассматривать ее как математическую функцию, определяющую поле, будет наклонена так, что мраморный шарик естественным образом окажется в самой нижней точке шляпы при угловом положении, равном нулю градусов (шарик будет маятником кататься вокруг этой нижней точки, пока не займет полностью устойчивое положение, вырабатывая аксионную темную материю). Мексиканская шляпа наклоняется в направлении нуля, потому что в этой модели любое другое значение θ требует затрат энергии.

В своей новой работе Ко и Харигая утверждают, что шляпа будет выглядеть не совсем так, как предполагали Печчеи и Куинн. С конца 70-х годов исследователи в основном изучали шляпу в вакууме, без участия и воздействия других полей. Но Ко и Харигая теперь знают о гипотезе, которую все чаще поддерживают исследователи квантовой гравитации. Она гласит, что в природе не может быть идеальных или «глобальных» симметрий. Из-за этого математическая функция, определяющая аксионное поле, не могла выглядеть совершенно одинаково во всех отношениях. Другие квантовые силы и поля должны были воздействовать на аксионное поле таким образом, что края шляпы начали бы колебаться.

Эти колебания означают, что шарик, скатываясь по краю поля шляпы, не упадет прямо в то место, где θ = 0. Вместо этого колебания будут бросать его в стороны, и это заставит шарик вращаться вокруг шляпы, а его угловая координата θ будет меняться от нуля до 360 градусов. Постепенно вращение шарика будет замедляться, поскольку поле испытывает трение в виде взаимодействия с другими полями материи. Кинетическая энергия аксионного поля перетекла бы в эти другие поля и породила частицы.

Поскольку мраморный шарик вращается в одном направлении — против часовой стрелки, а не в другом, он вводит знак плюс в уравнения физики элементарных частиц, а не знак минус, порождая электроны и электроноподобные частицы вместо их аналогов из антивещества. Этот избыток электронов привел бы к огромному избытку кварков, наблюдаемому сегодня. «Можно сказать, что нам просто нужно быть везучими», чтобы получить правильное направление вращения и правильный знак, говорит Ко. «Но оказывается, что если мы пойдем другим путем, мы все равно будем называть себя веществом, а не антивеществом».

Как только Ко и Харигая задумались о вращающемся аксионном поле и циклической эволюции θ, они «поняли все остальное почти автоматически», сказал Ко. «Мы просто проводим вычисления, чтобы увидеть, насколько эффективна скорость передачи от вращения аксиона к кваркам и асимметрии вещества и антивещества».

Модель аксиогенеза Ко и Харигаи предсказывает существование новой частицы, связанной с бозоном Хиггса, но в 10 раз тяжелее. Такая частица необходима для того, чтобы все произошло в нужное время в период изначальной эволюции аксионного поля. «Если мы требуем, чтобы асимметрия как темной материи, так и материи-антивещества объяснялась найденной нами новой динамикой, — говорит Харигая, — то существование этого нового бозона, подобного хиггсовскому, фактически является [твердым] прогнозом».

Предсказанная частица слишком массивна, чтобы быть обнаруженной на Большом адронном коллайдере (LHC), но ее можно будет обнаружить на строящемся LHC с высокой светимостью, который планируется запустить в 2027 году, или на коллайдере будущего с более высокой энергией.

Даже если частица не появится, вариации модели Ко и Харигаи могут дать разные варианты прогнозов. По словам Дайна, вращающееся аксионное поле является относительно простой идеей, хотя соответствующие вычисления сложны. Он говорит: «Для меня новшеством является то замечание, что нужно думать не только об этом затухающем до минимума движении, но и о том, что аксион вращается вокруг этой мексиканской шляпы, и какие последствия это может иметь».

Дайн сказал, что новое исследование определенно повлияет на его собственную работу, и что ему «будет особенно интересно понять», создает ли движение аксиона естественным образом правильную асимметрию вещества и антивещества, в то же время давая нужное количество темной материи и решая проблему сильного СР, «или оно вместо этого потребует удивительных совпадений», которые должны состоять в точной настройке скоростей и эффектов, что в природе вряд ли возможно.

Однако первооткрыватель аксиона Вильчек, получивший Нобелевскую премию за другую работу о сильном взаимодействии, считает идеи Ко и Харигаи об аксиогенезе весьма необычными и умозрительными. Идея о том, что значение θ меняется, на первый взгляд, не удовлетворяет уравнению аксионов, сказал он. Правда, ученый с усмешкой признает: «Они говорят, что может быть, уравнения аксионов не совсем верны». Вильчек не видит убедительных доказательств предположений об отсутствии глобальной симметрии, которой Ко и Харигая обосновывают колебания в своем аксионном сомбреро.

Сможет ли аксион решить две загадки или три, это не самое главное, говорит Вильчек. «Наверное, самым важным предстоящим экспериментом в фундаментальной физике станет поиск аксионов. И если их работа будет этим поискам способствовать, все это на пользу».