Axion - Axion

Axion
Interações Gravidade , eletromagnética
Status Hipotético
Símbolo A 0
Teorizado 1977, Peccei e Quinn
Massa 10 −5 a 10 −3  eV / c 2 
Largura de decaimento 10 9 a 10 12 GeV / c 2
Carga elétrica 0
Rodar 0

O axion ( / ul k s i ɒ n / ) é uma hipotética partícula elementar postulado pela teoria Peccei-Quinn em 1977 para resolver o problema forte CP em chromodynamics quântica (QCD). Se axions existem e têm baixa massa dentro de uma faixa específica, eles são interessantes como um possível componente da matéria escura fria .

História

Forte problema de CP

Conforme mostrado por Gerard 't Hooft , as interações fortes do modelo padrão, QCD, possuem uma estrutura de vácuo não trivial que, em princípio, permite a violação das simetrias combinadas de conjugação de carga e paridade , conhecidas coletivamente como CP. Junto com os efeitos gerados por interações fracas , o termo violador de CP forte periódico eficaz, Θ , aparece como uma entrada do Modelo Padrão - seu valor não é previsto pela teoria, mas deve ser medido. No entanto, grandes interações violando CP originadas de QCD induziriam um grande momento de dipolo elétrico (EDM) para o nêutron . Restrições experimentais no EDM atualmente não observado implica que a violação de CP do QCD deve ser extremamente pequena e, portanto, Θ deve ser extremamente pequena. Como Θ pode ter qualquer valor entre 0 e 2 π , isso apresenta um problema de " naturalidade " para o modelo padrão. Por que esse parâmetro deve ficar tão próximo de zero? (Ou, por que a QCD deveria se considerar preservadora de CP?) Esta questão constitui o que é conhecido como o problema de CP forte .

Predição

Em 1977, Roberto Peccei e Helen Quinn postularam uma solução mais elegante para o forte problema de PC, o mecanismo Peccei-Quinn . A ideia é promover efetivamente Θ para um campo. Isso é feito adicionando-se uma nova simetria global (chamada simetria Peccei-Quinn ) que se quebra espontaneamente. Isso resulta em uma nova partícula, conforme mostrado independentemente por Frank Wilczek e Steven Weinberg , que preenche o papel de Θ , relaxando naturalmente o parâmetro de violação de CP a zero. Wilczek chamou essa nova partícula hipotética de "axion" em homenagem a uma marca de sabão em pó porque "limpou" um problema, enquanto Weinberg a chamou de "Higglet". Weinberg mais tarde concordou em adotar o nome de Wilczek para a partícula. Por ter uma massa diferente de zero, o axião é um bóson pseudo-Nambu-Goldstone .

Axion matéria escura

Os efeitos QCD produzem um potencial periódico efetivo no qual o campo do áxion se move. As oscilações do campo de axions em torno do mínimo do potencial efetivo, o chamado mecanismo de desalinhamento, geram uma população cosmológica de axions frios com abundância dependendo da massa do axion. Com uma massa acima de 10-11 vezes a massa do elétron , os axions podem ser responsáveis ​​pela matéria escura , sendo, portanto, um candidato à matéria escura e uma solução para o problema do CP forte.

Existem dois cenários distintos nos quais o campo axion começa sua evolução, dependendo das duas condições a seguir:

(uma)   A simetria PQ é quebrada espontaneamente durante a inflação. Esta condição é realizada sempre que a escala de energia axion é maior do que a taxa de Hubble no final da inflação
(b) A simetria PQ nunca é restaurada depois que ocorre sua quebra espontânea. Esta condição é realizada sempre que a escala de energia do axion é maior do que a temperatura máxima atingida no Universo pós-inflacionário.

Em termos gerais, ocorre um dos dois cenários possíveis a seguir:

Cenário pré-inflacionário

Se ambos (a) e (b) forem satisfeitos, a inflação cósmica seleciona um pedaço do Universo dentro do qual a quebra espontânea da simetria PQ leva a um valor homogêneo do valor inicial do campo axion. Nesse cenário "pré-inflacionário", os defeitos topológicos são inflados e não contribuem para a densidade de energia do axion. No entanto, outros limites que vêm dos modos de isocurvatura restringem severamente este cenário, o que requer uma escala de inflação de energia relativamente baixa para ser viável.

Cenário pós-inflacionário

Se pelo menos uma das condições (a) ou (b) for violada, o campo axion assume valores diferentes dentro de manchas que estão inicialmente fora do contato causal, mas que hoje povoam o volume delimitado por nosso horizonte de Hubble . Neste cenário, as flutuações de isocurvatura no campo PQ randomizam o campo axion, sem nenhum valor preferencial no espectro de potência.

O tratamento adequado neste cenário é resolver numericamente a equação de movimento do campo PQ em um Universo em expansão, a fim de capturar todas as características provenientes do mecanismo de desalinhamento, incluindo a contribuição de defeitos topológicos como cordas "axiônicas" e paredes de domínio . Uma estimativa de massa axion entre 0,05-1,50 meV foi relatada por Borsanyi et al. (2016). O resultado foi calculado simulando a formação de axions durante o período pós-inflação em um supercomputador .

Progressos recentes na determinação da abundância presente de um axion do tipo Z KSV usando simulações numéricas levam a valores entre 0,02 e 0,1 meV, embora esses resultados tenham sido contestados pelos detalhes no espectro de potência dos axions emitidos pelas cordas.

Fenomenologia do campo axion

Pesquisas

Os modelos Axion escolhem cuidadosamente as forças de acoplamento que são muito fracas para serem detectadas em experimentos anteriores. Pensava-se que esses " axions invisíveis " resolveriam o forte problema do PC, embora ainda fossem pequenos demais para serem observados antes. A literatura atual discute mecanismos de "axion invisível" em duas formas, chamados KSVZ ( Kim - Shifman - Vainshtein - Zakharov ) e DFSZ ( Dine - Fischler - Srednicki - Zhitnitsky ).

O axion com acoplamento muito fraco também é muito leve, porque os acoplamentos do axion e a massa são proporcionais. A satisfação com "axions invisíveis" mudou quando foi mostrado que qualquer axion muito leve teria sido superproduzido no início do universo e, portanto, deve ser excluído.

Equações de Maxwell com modificações axion

Pierre Sikivie publicou uma modificação das equações de Maxwell que surgem de um axion leve e estável em 1983. Ele mostrou que esses axions podiam ser detectados na Terra convertendo-os em fótons, usando um forte campo magnético, levando a vários experimentos: O ADMX ; Os axions solares podem ser convertidos em raios X, como no CERN Axion Solar Telescope (CAST) ; outros experimentos estão procurando sinais de axions com luz laser.

Há uma simetria nas equações de Maxwell, onde os campos elétrico e magnético podem ser girados um no outro, com os novos campos ainda satisfazendo as equações de Maxwell. Luca Visinelli mostrou que a simetria da dualidade pode ser transportada para a teoria eletromagnética aumentada com axion também. Supondo a existência de monopólos magnéticos e axions, o conjunto completo de equações de Maxwell é:

Nome Equações
Lei de gauss
Lei de Gauss para o magnetismo
Lei de faraday
Lei de Ampère-Maxwell
Lei Axion

Se os monopólos magnéticos não existirem, as mesmas equações serão válidas, com a densidade do monopolo e a corrente do monopolo substituídas por zero. Com ou sem monopólos, incorporar o áxion nas equações de Maxwell tem o efeito de girar os campos elétrico e magnético um no outro.

onde o ângulo de mistura depende da constante de acoplamento e da força do campo do eixo

Ao inserir os novos valores para o campo eletromagnético e nas equações de Maxwell, obtemos as equações de Maxwell modificadas por axion acima. Incorporar o axion na teoria eletromagnética também dá uma nova equação diferencial - a lei do axion - que é simplesmente a equação de Klein-Gordon (a equação da teoria quântica de campo para partículas massivas de spin zero) com um termo fonte.

Efeito análogo para isoladores topológicos

Um termo análogo ao que seria adicionado às equações de Maxwell para dar conta dos axions também aparece em modelos teóricos recentes (2008) para isoladores topológicos, dando uma descrição efetiva dos axions da eletrodinâmica desses materiais.

Este termo leva a várias propriedades previstas interessantes, incluindo um efeito magnetoelétrico quantizado . A evidência desse efeito foi recentemente fornecida em experimentos de espectroscopia THz realizados na Universidade Johns Hopkins em isoladores topológicos de filme fino de regime quântico desenvolvidos na Universidade Rutgers .

Em 2019, uma equipe do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos publicou sua detecção de isoladores de axion dentro de um semimetal de Weyl . Um isolador axion é uma quasipartícula - uma excitação de elétrons que se comportam juntos como um axion - e sua descoberta é consistente com a existência do axion como uma partícula elementar.

Experimentos

Apesar de ainda não terem sido encontrados, os modelos axion têm sido bem estudados por mais de 40 anos, dando tempo para os físicos desenvolverem uma visão sobre os efeitos axion que podem ser detectados. Várias pesquisas experimentais por axions estão atualmente em andamento; a maioria explora a ligeira interação esperada dos axions com fótons em campos magnéticos fortes. Axions também são um dos poucos candidatos plausíveis restantes para partículas de matéria escura, e podem ser descobertos em alguns experimentos de matéria escura.

Conversão direta em um campo magnético

Vários experimentos buscam axions astrofísicos pelo efeito Primakoff , que converte axions em fótons e vice-versa em campos eletromagnéticos.

O Axion Dark Matter Experiment (ADMX) da Universidade de Washington usa um campo magnético forte para detectar a possível conversão fraca de axions em microondas . O ADMX procura no halo de matéria escura galáctica por axiões ressonantes com uma cavidade de microondas fria. A ADMX excluiu modelos de axion otimistas na faixa de 1,9–3,53 μeV. De 2013–2018, uma série de atualizações foi feita e está recebendo novos dados, incluindo 4,9–6,2 µeV.

Outras experiências deste tipo incluem HAYSTAC , CULTASK e ORGAN. HAYSTAC concluiu recentemente a primeira varredura de um haloscópio acima de 20 µeV.

Luz polarizada em um campo magnético

O experimento italiano PVLAS busca mudanças de polarização da luz que se propaga em um campo magnético. O conceito foi apresentado pela primeira vez em 1986 por Luciano Maiani , Roberto Petronzio e Emilio Zavattini . Uma reivindicação de rotação em 2006 foi excluída por uma configuração atualizada. Uma busca otimizada começou em 2014.

Luz brilhando através das paredes

Outra técnica é chamada de "luz brilhando através das paredes", onde a luz passa por um intenso campo magnético para converter fótons em axions, que então passam pelo metal e são reconstituídos como fótons por outro campo magnético do outro lado da barreira. Experimentos da BFRS e uma equipe liderada por Rizzo descartaram uma causa axion. GammeV não viu nenhum evento, relatado em uma Carta de Revisão de Física de 2008. O ALPS I conduziu execuções semelhantes, estabelecendo novas restrições em 2010; O ALPS II será executado em 2021. OSQAR não encontrou nenhum sinal, limitando o acoplamento e continuará.

Pesquisas de axioes astrofísicos

Bósons semelhantes a axions podem ter uma assinatura em configurações astrofísicas. Em particular, vários trabalhos recentes propuseram partículas semelhantes a axions como uma solução para a aparente transparência do Universo para fótons TeV. Também foi demonstrado em alguns trabalhos recentes que, nos grandes campos magnéticos que atravessam as atmosferas de objetos astrofísicos compactos (por exemplo, magnetares ), os fótons se converterão com muito mais eficiência. Isso, por sua vez, daria origem a características distintas do tipo absorção nos espectros detectáveis ​​pelos telescópios atuais. Um novo meio promissor é buscar a refração de quase partículas em sistemas com fortes gradientes magnéticos. Em particular, a refração levará à divisão do feixe nas curvas de luz de rádio de pulsares altamente magnetizados e permitirá sensibilidades muito maiores do que as atualmente alcançáveis. O Observatory Axion Internacional (IAXO) é uma quarta geração proposto helioscópio .

Os axions podem se converter ressonantemente em fótons nas magnetosferas de estrelas de nêutrons . Os fótons emergentes estão na faixa de frequência GHz e podem ser potencialmente captados em detectores de rádio, levando a uma sonda sensível do espaço de parâmetros do axion. Esta estratégia foi usada para restringir o acoplamento axião-fóton na faixa de massa de 5–11 μeV, reanalisando os dados existentes do Telescópio Green Bank e do Telescópio Effelsberg 100 m. Uma nova estratégia alternativa consiste em detectar o sinal transiente do encontro entre uma estrela de nêutrons e um minicluster de axion na Via Láctea .

Axions podem ser produzidos no núcleo do Sol quando os raios X se espalham em campos elétricos fortes. O telescópio solar CAST está em andamento e estabeleceu limites para o acoplamento a fótons e elétrons. Axions podem ser produzidos dentro de estrelas de nêutrons, por núcleo-núcleo bremsstrahlung . O decaimento subsequente de axions em raios gama permite que restrições na massa dos axions sejam colocadas a partir de observações de estrelas de nêutrons em raios gama usando o Fermi LAT. A partir de uma análise de quatro estrelas de nêutrons, Berenji et al. (2016) obtiveram um limite superior de intervalo de confiança de 95% na massa do axião de 0,079 eV.

Em 2016, uma equipe teórica do Massachusetts Institute of Technology concebeu uma possível maneira de detectar áxions usando um forte campo magnético que não precisa ser mais forte do que o produzido em uma máquina de varredura de ressonância magnética . Ele apresentaria variação, uma leve oscilação, que está ligada à massa do áxion. O experimento agora está sendo implementado por experimentalistas na universidade.

Pesquisa por efeitos de ressonância

Os efeitos de ressonância podem ser evidentes nas junções Josephson de um suposto alto fluxo de axions do halo galáctico com massa de 110 µeV e densidade0,05 GeV / cm 3 em comparação com a densidade de matéria escura implícita0,3 ± 0,1 GeV / cm 3 , indicando o referido axions não tem massa suficiente para ser o único componente da matéria escura. O experimento ORGAN planeja conduzir um teste direto desse resultado por meio do método do haloscópio.

Pesquisa de recuo de matéria escura

Os detectores criogênicos de matéria escura procuraram recuos de elétrons que indicariam axions. O CDMS publicado em 2009 e o EDELWEISS definiram os limites de acoplamento e massa em 2013. O UORE e o XMASS também definiram os limites dos eixos solares em 2013. O XENON100 usou uma execução de 225 dias para definir os melhores limites de acoplamento até o momento e excluir alguns parâmetros.

Possíveis detecções

Foi relatado em 2014 que a evidência de axions pode ter sido detectada como uma variação sazonal na emissão de raios-X observada que seria esperada da conversão no campo magnético da Terra de axions fluindo do sol. Estudando 15 anos de dados por parte da Agência Espacial Europeia 's XMM-Newton Observatory, um grupo de pesquisa na Universidade de Leicester notou uma variação sazonal para os quais nenhuma explicação convencional poderia ser encontrado. Uma explicação potencial para a variação, descrita como "plausível" pelo autor sênior do artigo, é a variação sazonal conhecida na visibilidade para XMM-Newton da magnetosfera voltada para o sol na qual os raios-X podem ser produzidos por axions do núcleo do sol.

Essa interpretação da variação sazonal é contestada por dois pesquisadores italianos, que identificam falhas nos argumentos do grupo de Leicester que supostamente afastam uma interpretação em termos de axions. Mais importante ainda, o espalhamento em ângulo assumido pelo grupo de Leicester como causado por gradientes de campo magnético durante a produção de fótons, necessário para permitir que os raios X entrem no detector que não pode apontar diretamente para o sol, dissiparia o fluxo tanto que a probabilidade de detecção seria insignificante.

Em 2013, Christian Beck sugeriu que os axions podem ser detectáveis ​​nas junções Josephson ; e em 2014, ele argumentou que uma assinatura, consistente com uma massa ≈110 μeV, tinha de fato sido observada em vários experimentos preexistentes.

Em 2020, o experimento XENON1T no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália, relatou um resultado sugerindo a descoberta de áxions solares. Os resultados ainda não são significativos no nível 5-sigma necessário para confirmação, e outras explicações dos dados são possíveis, embora menos prováveis. Outras observações estão planejadas após a conclusão da atualização do observatório para XENONnT .

Propriedades

Previsões

Uma teoria dos áxions relevantes para a cosmologia previu que eles não teriam carga elétrica , uma massa muito pequena na faixa de 1 µeV / c² a 1 eV / c² e seções transversais de interação muito baixas para forças fortes e fracas . Por causa de suas propriedades, os axions interagiriam apenas minimamente com a matéria comum. Os axions também mudariam de e para fótons em campos magnéticos.

Implicações cosmológicas

A inflação sugere que, se existissem, seriam criados áxions abundantemente durante o Big Bang . Por causa de um acoplamento único ao campo instanton do universo primordial (o " mecanismo de desalinhamento "), um atrito dinâmico efetivo é criado durante a aquisição de massa, seguindo a inflação cósmica . Isso rouba todos esses axions primordiais de sua energia cinética.

O axião ultraleve (ULA) com m ~ 10 −22 eV é um tipo de matéria escura de campo escalar que parece resolver os problemas de pequena escala do MDL. Um único ULA com uma constante de decaimento de escala GUT fornece a densidade de relíquia correta sem ajuste fino.

Os axions também teriam interrompido a interação com a matéria normal em um momento diferente após o Big Bang do que outras partículas escuras mais massivas. Os efeitos remanescentes dessa diferença talvez pudessem ser calculados e observados astronomicamente.

Se os axions têm massa baixa, evitando assim outros modos de decaimento (uma vez que não há partículas mais leves para se decair), as teorias preveem que o universo seria preenchido com um condensado de Bose-Einstein muito frio de axions primordiais. Conseqüentemente, axions poderiam explicar de forma plausível o problema da matéria escura da cosmologia física . Estudos observacionais estão em andamento, mas eles ainda não são suficientemente sensíveis para sondar as regiões de massa se eles forem a solução para o problema da matéria escura com a região da matéria escura difusa começando a ser sondada via superradiância . Os áxions de alta massa do tipo procurado por Jain e Singh (2007) não persistiriam no universo moderno. Além disso, se os áxions existem, as dispersões com outras partículas no banho termal do universo primitivo inevitavelmente produzem uma população de áxions quentes.

Os áxions de baixa massa podem ter uma estrutura adicional na escala galáctica. Se eles caírem continuamente nas galáxias do meio intergaláctico, eles seriam mais densos em anéis " cáusticos ", assim como o fluxo de água em uma fonte de fluxo contínuo é mais espesso em seu pico. Os efeitos gravitacionais desses anéis na estrutura galáctica e na rotação podem então ser observáveis. Outros candidatos teóricos de matéria escura fria, como WIMPs e MACHOs , também poderiam formar tais anéis, mas como esses candidatos são fermiônicos e, portanto, sofrem fricção ou dispersão entre si, os anéis seriam definidos com menos nitidez.

João G. Rosa e Thomas W. Kephart sugeriram que as nuvens de axions formadas em torno de buracos negros primordiais instáveis podem iniciar uma cadeia de reações que irradiam ondas eletromagnéticas, permitindo a sua detecção. Ao ajustar a massa dos áxions para explicar a matéria escura , a dupla descobriu que o valor também explicaria a luminosidade e o comprimento de onda de rajadas rápidas de rádio , sendo uma possível origem para ambos os fenômenos.

Supersimetria

Nas teorias supersimétricas, o axião tem um superparceiro escalar e fermiônico . O superparceiro fermiônico do axião é chamado de axino , o superparceiro escalar é chamado de saxão ou dilaton . Eles estão todos agrupados em um supercampo quiral .

O axino foi previsto para ser a partícula supersimétrica mais leve em tal modelo. Em parte devido a essa propriedade, é considerado um candidato à matéria escura .

Veja também

Notas de rodapé

Referências

Fontes

links externos