Is Dark Matter Made of Axions?

W zeszłym tygodniu, kiedy naukowcy z włoskiego laboratorium ogłosili, że niespodziewane błyski w ich detektorze mogą pochodzić od długo poszukiwanych cząstek subatomowych znanych jako aksjony, ich koledzy byli ostrożnie optymistyczni: W fizyce, rzekome wykrycia nowych cząstek często bledną do nieistotności, gdy badacze zbierają więcej danych. Istnieją też inne, bardziej prozaiczne wytłumaczenia dla tych blipów. Z drugiej strony, teoretyczny argument przemawiający za istnieniem aksjonów jest przekonujący dla wielu fizyków. Hipotetyczne cząstki są jednym z głównych kandydatów na ciemną materię, tajemniczą substancję, która stanowi większość materialnego wszechświata. Potwierdzenie, że aksje są prawdziwe, byłoby przełomem w fizyce cząstek elementarnych – i odkryciem o daleko idących konsekwencjach dla naszego zrozumienia składu i historii wszechświata.

Historia aksjonów zaczyna się w latach siedemdziesiątych, kiedy fizycy opracowujący Model Standardowy – ramy opisujące znane cząstki i ich oddziaływania – zauważyli coś dziwnego w silnej sile jądrowej, która wiąże kwarki razem, tworząc protony i neutrony w jądrach atomów. Siła ta w jakiś sposób reguluje strukturę neutronów, czyniąc je idealnie symetrycznymi. Innymi słowy, chociaż neutron jest neutralny, kwarki w nim noszą ładunek – i z nieznanych powodów ten ładunek jest rozłożony niewiarygodnie równomiernie (przynajmniej z dokładnością do jednej części na miliard, według najnowszych pomiarów). W języku fizyki cząstek elementarnych mówi się, że neutron posiada symetrię ładunku i parzystości (CP): odwrócenie wszystkich jego ładunków z dodatnich na ujemne, przy jednoczesnym oglądaniu jego zachowania w lustrze, nie dałoby żadnego zauważalnego efektu. Pytanie, dlaczego cząstka ma taki układ, stało się znane jako „silny problem CP.”

W 1977 roku Helen Quinn i Roberto Peccei, oboje pracujący wówczas na Uniwersytecie Stanforda, zaproponowali rozwiązanie: być może istnieje nieznane dotąd pole, które przenika całą przestrzeń i tłumi asymetrię neutronu. Później fizycy teoretyczni Frank Wilczek i Steven Weinberg wydedukowali, że gdyby Model Standardowy został zmodyfikowany tak, by dopuszczał takie pole, oznaczałoby to istnienie nowej cząstki, nazwanej aksjonem. (Wilczek zaczerpnął pomysł na nazwę od marki proszku do prania). Aksjon nie miałby kwantowego „spinu”, co czyni go bozonem. Jego masa, choć nie zerowa, byłaby niewiarygodnie mała.

Pomimo znikomo małej masy aksjonów, istniałyby one w tak ogromnych ilościach, że fizycy wkrótce zdali sobie sprawę, że mogą odpowiadać za znaczną część masy „brakującej” we wszechświecie: Obserwacje astronomiczne sięgające lat 30-tych XX wieku sugerują, że widzialna materia – galaktyki, gwiazdy, planety i tak dalej – stanowi mniej niż jedną szóstą całkowitej masy materii w kosmosie, a resztę stanowi ciemna materia. Natura tej ciemnej materii była przedmiotem intensywnej debaty od tamtego czasu.

„Aksjon jest naprawdę dobrym kandydatem na ciemną materię” – mówi Peter Graham ze Stanford. Poza oczekiwaniem, że kosmos powinien być zalany tymi cząstkami, aksjony byłyby naturalnie „ciemne”, co oznacza, że prawie w ogóle nie oddziaływałyby ze zwykłą materią. „Wszechświat lubi produkować aksjony” – mówi Graham – „i lubi je produkować w taki sposób, że zachowywałyby się jak zimna ciemna materia, o której wiemy, że tam jest.”

„Zimno” jest ważnym zastrzeżeniem: aksjony, które naukowcy rzekomo wykryli w eksperymencie XENON1T we włoskim Gran Sasso National Laboratory prawdopodobnie zostałyby wyprodukowane wewnątrz naszego Słońca. Byłyby one wysokoenergetyczne i dlatego mało prawdopodobne, aby stanowiły składnik ciemnej materii. Aksjony ciemnej materii musiałyby być wolno poruszające się lub zimne, więc mogłyby się zlepiać, aby grawitacyjnie kierować ewolucją galaktyk – jak uważa się, że robi to ciemna materia. Teoretycy podejrzewają, że takie aksjony mogły zostać wyprodukowane we wczesnym Wszechświecie. Co więcej, ponieważ procesy uważane za powodujące powstawanie zimnych aksjonów mogą być związane z wczesnym wzrostem wszechświata – niezwykłym powiększaniem się jego rozmiarów, znanym jako inflacja – znalezienie i dalsze badania tych nieuchwytnych cząstek mogłyby pomóc fizykom zrozumieć pierwsze chwile po wielkim wybuchu. Graham twierdzi, że odkrycie aksjonów nie udowodni, że inflacja miała miejsce, ale zapewni cenne spojrzenie na fizykę tamtej epoki. „Dla mnie to właśnie jest ekscytujące w aksjonach” – dodaje.

Naukowcy reagują ostrożnie – również ci z zespołu XENON1T. Jedyne, czego są pewni, to fakt, że zaobserwowali zaskakująco dużą liczbę „odrzutów” elektronów w ogromnej kadzi ciekłego ksenonu, która jest sercem eksperymentu. To, co sprawiło, że elektrony podskoczyły, jest kwestią otwartą do dyskusji. Jeśli cząstki subatomowe zwane neutrinami mają nieprzewidziane właściwości magnetyczne, to taki układ mógłby tłumaczyć zaobserwowane wyniki. Albo wyjaśnienie może być bardziej prozaiczne: ksenon mógł być po prostu zanieczyszczony trytem – cięższą formą wodoru, którego naturalne promieniowanie mogło zamazać sygnał zaobserwowany w XENON1T. Dodatkowo, poziom ufności związany z anomalnym sygnałem wynosi tylko „3,5 sigma” – co oznacza, że istnieje jedna szansa na 5000, że „sygnał” jest w rzeczywistości tylko szumem, produktem fluktuacji statystycznych, a nie prawdziwą nową fizyką. Te szanse mogą brzmieć dobrze, ale są one znacznie niższe niż jeden na 3,5 miliona, lub „pięć sigma”, standard tradycyjnie związany z uzasadnionymi odkryciami w fizyce cząstek.

Poza gromadzeniem większej ilości danych i ulepszaniem swojego eksperymentu, badacze XENON1T będą szukać jakichkolwiek rocznych zmian w widocznym sygnale. Solar axions powinien spowodować, że sygnał wahać się jako Ziemia orbituje wokół Słońca. Tymczasem dowody potwierdzające mogłyby pochodzić z eksperymentu Axion Dark Matter Experiment (ADMX) na Uniwersytecie w Waszyngtonie lub eksperymentu znanego jako CAST (CERN Axion Solar Telescope) w CERN koło Genewy. ADMX zdołał już wyznaczyć nowe granice dla masy aksjonu, a CAST poluje na słoneczne aksjony od 2003 roku.

Jeśli aksje okażą się prawdziwe, byłby to „triumf fizyki teoretycznej – stworzyliśmy tego rodzaju estetyczny argument, a następnie natura mówi: 'Tak, to prawda'” – mówi Wilczek, który pracuje w Massachusetts Institute of Technology i był współodpowiedzialny za Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2004 roku za swoją teoretyczną pracę nad silnymi siłami jądrowymi. Istnienie aksjonów, jak twierdzi, wskazywałoby na nową fizykę wykraczającą poza Model Standardowy – coś, co on i jego koledzy przewidywali od dziesięcioleci. Wilczek sugeruje, że można by zbudować nowe rodzaje anten do poszukiwania aksjonów powstałych we wczesnym Wszechświecie. Jeśli te aksje mogą być z powodzeniem zmierzone, to „otworzyłoby to nowy rozdział w astronomii”, dodaje, ponieważ zachowanie cząstek mogłoby rzucić światło na formowanie się galaktyk i „być może inne zaskakujące rzeczy.”

Chociaż takie osiągnięcia prawdopodobnie byłyby godne Nobla, Wilczek nie oczyszcza miejsca na swojej półce na drugi medal. Ale jeśli kolejny Nobel miałby się pojawić na jego drodze, mówi, że „nie odrzuciłby go”

.