Гипотетическая элементарная частица аксион, изначально предложенная для решения сложной теоретической проблемы в квантовой хромодинамике, может оказаться ключом к разгадке природы темной материи. В выпуске научно-популярного канала PBS Space Time ведущий разбирает историю предсказания этой частицы, её удивительные свойства и текущие эксперименты по её поиску. Материал прослеживает путь физической мысли от фундаментальных симметрий Вселенной до масштабных астрофизических наблюдений.
⚖️ Проблема сильного CP-нарушения и симметрия Вселенной 1:08
В физике элементарных частиц концепция симметрии играет фундаментальную роль. Ученые ожидают, что законы природы должны быть симметричны относительно определенных преобразований Вселенной. Например, большинство физических уравнений не меняются при зеркальном отражении (инверсии пространственных осей) или при изменении знаков зарядов частиц с положительного на отрицательный.
Однако существуют исключения. Ранее было установлено, что слабое ядерное взаимодействие нарушает комбинированную CP-симметрию (зарядовую четность). Это означает, что поведение слабого взаимодействия меняется, если одновременно отразить заряды частиц и получить их зеркальное отображение.
Естественным образом возникает вопрос: происходит ли подобное нарушение в сильном ядерном взаимодействии, которое связывает кварки внутри протонов и neutrons с помощью глюонов? Наше лучшее теоретическое описание сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД). Уравнения КХД математически не просто допускают, а практически требуют нарушения CP-симметрии.
Тем не менее на практике такое нарушение никогда не наблюдалось. Физический пример этого парадокса заключается в следующем:
- Если бы сильное взаимодействие нарушало CP-симметрию, то у нейтрона должно было бы фиксироваться электрическое дипольное поле.
- Высокочувствительные измерения показывают, что такого поля не существует.
- Если оно и есть, то оно как минимум в триллион times слабее, чем предсказывает теория КХД с нарушением CP-симметрии.
Это противоречие между теорией и экспериментом известно в научном сообществе как проблема сильного CP-нарушения, и на сегодняшний день она остается нерешенной.
🌀 Загадочная структура вакуума и поле тета 3:46
Чтобы понять, почему квантовая хромодинамика вообще предсказывает нарушение CP-симметрии, необходимо заглянуть в природу квантового вакуума. В отличие от квантовой электродинамики, вакуум в КХД устроен крайне сложно и обладает специфической структурой.
В квантовой теории поля вакуум — это не просто пустота, а состояние поля с наименьшей возможной энергией в отсутствие частиц. В КХД существует бесконечное множество таких состояний с минимальной энергией, и вакуум способно совершать переходы между ними. Из-за квантовых эффектов вакуум КХД может одновременно находиться во всех этих состояниях сразу.
Эта необычная структура меняет уравнения движения КХД, добавляя в них новые слагаемые. Сила этих слагаемых регулируется новой фундаментальной константой — углом тета ($\theta$). Физически $\theta$ можно интерпретировать как фазовый сдвиг, который приобретает квантовое поле при перемещении между различными минимумами энергии вакуума. Именно эти новые члены уравнений, порожденные сложной структурой вакуума, приводят к нарушению CP-симметрии в сильном взаимодействии.
Возникает логичный вопрос: почему сильное взаимодействие не демонстрирует этого нарушения на практике? Одним из очевидных объяснений могло бы стать то, что константа $\theta$ просто равна нулю, из-за чего спорные слагаемые исчезают. Однако в рамках Стандартной модели нет никаких объективных причин, почему этот параметр должен быть строго нулевым. Теоретически константа могла оказаться близкой к нулю случайно, но физики крайне негативно относятся к подобным объяснениям, называя их «тонкой настройкой» (fine-tuning).
🧼 Рождение аксиона: как стиральный порошок «очистил» физику 5:58
В 1977 году физики Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили элегантное решение проблемы тонкой настройки. Они выдвинули гипотезу: что если $\theta$ — это не фундаментальная константа, а динамическое поле, способное меняться в пространстве и времени?. В такой модели поле $\theta$ естественным образом стремится к нулю, поскольку это минимизирует общую энергию вакуума, а Вселенная всегда ищет конфигурацию с наименьшей энергией.
Существует и другое гипотетическое решение проблемы сильного CP-нарушения — допущение, что хотя бы один из кварков обладает нулевой массой. В таком случае CP-симметрия сохраняется автоматически. Однако современные экспериментальные данные указывают на то, что безмассовых кварков не существует, поэтому данная гипотеза не общепринята.
Превращение $\theta$ в квантовое поле открыло путь к предсказанию новой частицы. В квантовой теории поля любая частица является колебанием соответствующего поля. Колебания поля $\theta$ около нулевого значения должны порождать гипотетическую частицу, которую физики Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг независимо друг от друга предложили квантовать.
Фрэнк Вильчек выбрал для нее название «аксион» (axion) в честь одноименного стирального порошка Axion, поскольку эта гипотетическая частица буквально «очистила» физику от проблемы сильного CP-нарушения.
Согласно теоретическим расчетам, аксион должен обладать следующими свойствами:
- Отсутствие электрического заряда.
- Отсутствие квантового спина.
- Экстремально малая масса (крошечная доля от массы и без того легкого электрона).
- Крайне слабое взаимодействие с другими объектами через сильное, слабое ядерное и гравитационное взаимодействия.
🔭 Охота на невидимку: эксперименты на Земле и в космосе 7:57
Поскольку аксионы невероятно слабо взаимодействуют с окружающим миром, их обнаружение представляет огромную сложность. Несмотря на отсутствие заряда, они могут взаимодействовать с электромагнитным полем. Под воздействием сильного магнитного поля аксион может превращаться в фотон посредством генерации пары виртуальных кварков — этот процесс называется эффектом Примакова. Точно так же фотоны могут превращаться в аксионы.
На этом принципе построен эксперимент «прохождения света сквозь стену»: луч света пропускают через мощное магнитное поле, затем блокируют металлической стеной. Часть фотонов в магнитном поле должна превратиться в аксионы, беспрепятственно пройти сквозь стену, а затем в другом магнитном поле снова превратиться в детектируемые фотоны. На данный момент такие эксперименты не принесли результатов, возможно, из-за недостаточной мощности искусственных магнитных полей.
Чтобы обойти это ограничение, ученые используют природные источники. В Швейцарии работает проект CAST (CERN Axion Solar Telescope). По расчетам физиков, если аксионы существуют, они должны в огромных количествах рождаться в ядре Солнца, где рентгеновские лучи постоянно сталкиваются с электронами и протонами в мощных электромагнитных полях. Установка CAST направляет свои мощные магниты на Солнце, пытаясь уловить и превратить солнечные аксионы обратно в фотоны. Пока успехов нет, но это позволяет сузить диапазон возможных характеристик частицы.
Дополнительные тесты проводятся с помощью астрофизических наблюдений за магнетарами, пульсарами и квазарами. По мнению некоторых ученых, в межгалактическом пространстве наблюдается странный феномен:
- При анализе далеких источников (блазаров) фиксируется необъяснимый избыток гамма-лучей.
- Обычно гамма-излучение должно поглощаться при путешествии сквозь межгалактическую среду.
- Существует гипотеза, что часть гамма-квантов превращается в аксионы в магнитных полях галактик, преодолевает часть пути в «невидимом» состоянии без поглощения, а затем снова превращается в фотоны перед падением на земные детекторы.
🌌 Аксионы как кандидаты на роль темной материи 11:02
Масштабные поиски аксиона ведутся не только ради решения проблемы КХД. Физики полагают, что аксионы могут являться той самой загадочной темной материей. Они идеально подходят под эти критерии: не взаимодействуют со светом напрямую и демонстрируют лишь слабые связи с остальными силами природы.
Несмотря на ничтожную массу отдельной частицы, в момент Большого взрыва аксионы должны были родиться в колоссальном, продиджиозном количестве. Этого объема вещества вполне хватило бы, чтобы объяснить невидимый источник гравитации, доминирующий во Вселенной и удерживающий галактики от распада. По мнению автора видео, если существование аксионов подтвердится, они одновременно закроют две сложнейшие загадки современной физики — проблему сильного CP-нарушения и природу темной материи.
🔄 Дискуссия о бесконечной Вселенной и ее повторениях 12:29
В заключительной части программы ведущий традиционно ответил на комментарии к прошлому выпуску, где обсуждался вопрос: должны ли в бесконечной Вселенной существовать бесконечные точные копии всего, включая каждого конкретного человека?. В частности, зрители указали на статью популяризатора науки Итана Сигела, утверждавшего, что даже при инфляции, продолжавшейся весь возраст Вселенной, её объем был бы недостаточен для появления дублирующихся регионов.
Ведущий согласился с расчетами Сигела в рамках ограниченного времени. По расчетам Сигела, если бы инфляция шла непрерывно в течение всех $13,5$ миллиардов лет существования космоса, Вселенная достигла бы размера порядка $10^{10^{50}}$ от объема нашей наблюдаемой части. Сигел сопоставил это число с числом возможных конфигураций частиц в пространстве, оценив его в $10^{90}!$ (факториал), что примерно равно $10^{10^{90}}$.
Ведущий PBS Space Time высказал мнение, что оценка Сигела может быть завышенной, поскольку многие элементарные частицы (например, электроны или фотоны) неразличимы между собой, и их перестановка местами ничего не меняет. Тем не менее, согласно пределу Бекенштейна, число конфигураций составляет около $10^{10^{123}}$. Таким образом, для создания случайного дубликата нашей области пространства действительно потребовался бы объем, значительно превышающий размеры Вселенной, достигнутые за $13,5$ миллиардов лет инфляции.
Однако ведущий подчеркнул важный контраргумент:
- Итан Сигел прав только в том случае, если инфляция когда-то остановилась.
- Если принять концепцию вечной инфляции (eternal inflation), которая по определению никогда не прекращается, то рано или поздно инфляционные процессы создадут необходимый объем пространства для повторения комбинаций частиц.
- Хотя Сигел указывает, что у вечной инфляции должно было быть начало во времени, $13,5$ миллиардов лет могут быть лишь самым стартом бесконечного процесса.
Если же опираться на уравнения общей теории относительности, пространство Вселенной может быть истинно бесконечным изначально. В таком случае, по словам ведущего, число возможных конфигураций $10^{10^{90}}$ — это «простая задача». Отвечая на вопрос о расстоянии до ближайшего двойника, автор видео отметил, что двигаться придется на колоссальное расстояние — примерно $10^{10^{60}}$ диаметров нашей наблюдаемой Вселенной, прежде чем конфигурации материи начнут в точности повторяться.
В завершение ведущий с иронией прокомментировал лингвистические споры в комментариях вокруг правильного произношения названия труда Исаака Ньютона Principia Mathematica, решив впредь называть его просто «той штукой, которую написал Ньютон». Он также пожурил излишне внимательных зрителей-перфекционистов за то, что никто из них не заметил важную биологическую ошибку в прошлом видео: вместо бесконечной обезьяны (monkey) за печатной машинкой на графике был изображен шимпанзе, который относится к человекообразным обезьянам (great ape), что с точки зрения биологической систематики является совершенно другим животным.
