«Ищут давно, но не могут найти…»

Никому до сих пор не ведомые элементарные частицы могут открывать экспериментаторы (на ускорителях, в космических лучах или еще как), ну а могут сначала «на кончике пера» предсказать теоретики. Конечно, теоретики нередко ошибаются. Или не ошибаются… Так были предсказаны позитрон, нейтрино, бозон Хиггса… Но не все предсказанные частицы открыты. В этой статье речь пойдет о драматической судьбе аксионов.

В современной физике элементарных частиц важнейшую роль играют принципы внутренней симметрии (инвариантности) и нарушения этой симметрии. Так, при замене частиц на античастицы при инверсии знаков всех пространственных координат и при обращении хода времени законы (уравнения) могут сохраняться. Первая симметрия обозначается буквой С (charge — заряд), вторая — Р (parity — четность), третья — Т (time — время). Иногда рассматривают сразу несколько преобразований и тогда говорят о CP-симметрии или CPT-симметрии. Или об их нарушениях. Несколько десятилетий назад теоретики осознали серьезную проблему в своих построениях. CP-симметрия (известная также как комбинированная чётность) в случае сильных ядерных взаимодействий должна нарушаться, а эксперименты ничего подобного не показывают. Наблюдается лишь CP-нарушение в слабых взаимодействиях. В стандартной теории нет никакого механизма, который мог бы воспрепятствовать нарушению симметрии в сильных ядерных взаимодействиях. Более того, будь эта симметрия строгой, наша Вселенная оказалась бы совершенно не похожа на себя — в ней было бы поровну вещества и антивещества. Было высказано несколько гипотез, чтобы это объяснить. Одной из самых перспективных считался и считается механизм Печчеи — Квинн.

Эта модель вводит некую новую симметрию, а спонтанное нарушение этой симметрии предполагает существование новой частицы — аксиона. Свойства ее плохо определены. Поэтому есть большой простор для фантазии и поисков. Ясно только, что с обычной материей аксионы почти не взаимодействуют и что они массивны. А это как раз необходимые требования для любых частиц, из которых могла бы состоять темная материя — загадочная невидимая часть нашей Вселенной, многократно доминирующая над материей видимой — звездами, галактиками, межзвездным и межгалактическим газом. Поэтому гипотеза аксионов вдвойне привлекательна: можно разом убить двух зайцев — введением одной новой сущности объяснить сразу две загадки. Но, конечно, для этого сперва надо зарегистрировать эту сущность (аксион) в эксперименте, ведь одних теоретических предсказаний недостаточно, как бы красивы они ни были.

Модель Печчеи — Квинн предсказывает еще два важных свойства аксиона — спин (он должен быть нулевым) и внутреннюю чётность (она отрицательна). Частицы с такими свойствами в квантовой теории поля называются псевдоскалярами. Примером псевдоскаляра является нейтральный пи-мезон, давно известный и хорошо изученный.

Аксионы, как и все псевдоскаляры, могут распадаться на два фотона. И наоборот, два фотона (один из которых может быть виртуальным), встретившись, могут, хотя и с очень малой вероятностью, образовать аксион. Кроме того, придумано много других процессов, в которых аксионы могут рождаться, исчезать или взаимодействовать с обычными частицами. Соответственно, есть много мест и способов их поиска.

Как уже сказано, аксионы фигурируют среди кандидатов в частицы темного вещества (и даже в паре-тройке лучших претендентов на эту роль). Они могли в больших количествах возникать в ранней Вселенной. Поэтому есть идеи по астрономическим поискам реликтовых аксионов. Некоторые из них связаны с процессом Примакова.

Процесс Примакова — это превращение аксиона в статическом магнитном или электрическом поле (то есть при взаимодействии с виртуальным фотоном) в реальный фотон. И обратно. Например, реликтовые аксионы, влетая в магнитосферы нейтронных звезд, могут превращаться в фотоны (не все, конечно). Соответственно, в спектрах нейтронных звезд можно найти особенность, за которую отвечает этот процесс. Но пока не нашли.

Белые карлики могут испускать аксионы и за счет этого охлаждаться (ведь аксионы очень слабо взаимодействуют с другими частицами и поэтому могут вылетать из недр звезды почти беспрепятственно, в отличие от фотонов). Соответственно, теоретики пытаются рассчитать величину эффекта, а затем результаты расчетов связать с наблюдениями, которые дают температуру объектов с известными возрастами. Однако пока нет необходимости для введения дополнительного канала уноса энергии, то есть остывания.

Насколько реальны поиски аксионов на земных установках? Здесь можно не полагаться на реликтовые частицы. Если аксионы существуют, то звезды (в том числе и наше Солнце) могут их испускать. Есть несколько процессов, приводящих к такому необычному излучению. Во-первых, аксионы излучаются за счет процесса Примакова, а также аксион-комптоновского и аксион-тормозного излучения в плазме солнечного ядра. Эти процессы отвечают за основную долю аксионной светимости, которая может достигать процентов от полной светимости Солнца (больше нельзя, так как это войдет в противоречие с хорошо установленной стандартной солнечной моделью). У таких аксионов будет непрерывный энергетический спектр. Во-вторых, аксионы испускаются ядрами разных элементов, переходящими из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией. Таких аксионов не очень много, зато у них очень узкое распределение по энергиям, а это позволяет при поисках «отстроиться» от фона.

Установки для поиска солнечных аксионов основаны на разных принципах. Прежде всего, это тот же самый эффект Примакова. Так решили поступить в ЦЕРН. Они взяли один из тестовых магнитов для Большого адронного коллайдера и нашли ему лучшее применение — построили солнечный аксионный телескоп CAST.

Десятиметровый магнит направляют на солнце на восходе и закате (магнит можно немножко двигать, и он следит за солнцем часа по три утром и вечером). Если от Солнца летят аксионы, то, взаимодействуя с полем магнита, они превращаются в рентгеновские фотоны с энергией в несколько килоэлектронвольт, близкой к типичной тепловой энергии частиц в центре Солнца (дело в том, что ядра возбуждаются за счет взаимных столкновений, которые происходят с тепловой энергией). Их-то и пытаются зарегистрировать. Пока не получается. Но работы планируют развивать и даже сделать новый магнит, лучше подходящий для подобных опытов.

Совсем другой принцип использован в небольшом детекторе в Баксанской обсерватории. Среди ядер атомов в Солнце есть криптон-83. Эти ядра испускают аксионы определенной энергии. Если сделать детектор с таким же веществом (а оно по ряду причин очень хорошо подходит для детекторов, лучше, чем, скажем, железо, которого на Солнце намного больше), то атомы криптона в установке будут резонансно поглощать такие аксионы (ясное дело, что аксионы, испущенные криптоном-83 на Солнце, как ключ к замку подходят криптону-83 в установке — можно привести аналогию с двумя одинаковыми, настроенными в резонанс струнами — колебания одной из них заставят звучать другую). Ядро возбуждается в результате поглощения аксиона, а снимается возбуждение испусканием фотона. Фотон поглотится в рабочем теле установки, что приведет к испусканию новых электронов. Их-то и зарегистрируют… Но пока, к сожалению, увидеть ничего не удалось.

Похожий принцип использован в другой работе, где в качестве резонансной мишени, настроенной на солнечные аксионы, взято… всё железное ядро Земли. Точнее, только входящие в его состав ядра железа-57. Их много и на Солнце, и на Земле. И если энергия, излучаемая солнечными ядрами железа в узкой спектральной линии (речь идет о линии в энергетическом спектре аксионов), поглощается земным железом, то некоторая часть тепла, идущего из недр нашей планеты (а оно достаточно хорошо измерено), может порождаться этим процессом. Это позволяет ограничить некоторую часть возможного пространства параметров аксиона — если бы его характеристики попадали в исключенную область, то тепловой поток из недр Земли был бы выше наблюдаемого.

В некоторых термоядерных реакциях протон-протонного цикла, отвечающего за почти всё энерговыделение Солнца, тоже может возникать аксион с фиксированной энергией. Например, при слиянии протона с дейтроном (ядром изотопа водорода — дейтерия) в ядре гелия-3 обычно появляется фотон с энергией 5,5 МэВ. Но вместо фотона может образоваться аксион с такой же энергией, который беспрепятственно покидает Солнце, и его надеются регистрировать земные лаборатории.

А самый красивый метод поиска аксионов имеет и самое красивое название — «Свет сквозь стену». Одна из установок работает таким образом. Мощный импульсный лазер выдает порцию излучения, в то время как мощный импульсный магнит создает сильное поле. Если процесс Примакова работает и аксионы существуют, то часть фотонов превратится в эти частицы. Поток попадает на толстую непрозрачную пластину, фотоны поглощаются, а аксионы должны сквозь нее пройти. За пластиной еще один импульсный магнит также создает мощное поле. Часть аксионов должна превратиться обратно в фотоны. И их-то и пытаются зарегистрировать. Красиво. Но снова ничего пока не видно.

Лишь однажды участники итальянской коллаборации PVLAS заявили, что видят сигнал, соответствующий аксионам. Но через короткое время сами же участники эксперимента признали, что поспешили с выводами. Новые, более совершенные опыты показали, что сигнала нет. Тем не менее аксионы среди придуманных частиц остаются одними из лучших кандидатов на скорое обнаружение. Поэтому эксперименты продолжаются.

Эксперимент CAST

Один из наиболее чувствительных аксионных экспериментов реализован в ЦЕРН. Метод регистрации основан на обратном эффекте Примакова — на превращении аксионов в фотоны в магнитном поле (то есть при взаимодействии с виртуальным фотоном). Источником аксионов является Солнце. Они могут рождаться там в нескольких разных процессах, часть из которых рассмотрена выше, но основным считается прямой эффект Примакова, когда фотон превращается в аксион в электрическом поле ядра. Фотоны в центре Солнца распределены по спектру с энергиями порядка нескольких килоэлектронвольт. Поэтому после превращения получаются рентгеновские кванты.

Раз источник — наше светило, то установка должна «смотреть на солнце». Получается своеобразный аксионный телескоп (его так и называют — аксиоскоп). Основная деталь установки — большой десятиметровый электромагнит. Он остался от создания БАК. Магнитное поле в нем имеет довольно сложную структуру. Но в основном силовые линии оказываются перпендикулярны оси магнита. Соответственно, аксион, двигаясь вдоль длинной оси магнита, будет наиболее эффективно превращаться в фотоны.

Телескоп «смотрит» на солнце на восходе и на закате в течение трех часов. Поскольку аксионы практически свободно проходят через обычное вещество (очень слабо с ним взаимодействуя), саму установку не надо вытаскивать под ясное небо. Эффект должен наблюдаться и когда телескоп стоит где-нибудь в подвале. Но пока всё равно ничего не видно. Создатели эксперимента планируют развивать этот подход. И даже сделать специальный магнит для новой установки (ведь исходный, напомним, создавался изначально для других целей). Посмотрим, может быть, со временем удастся зарегистрировать солнечные аксионы…

Эффект Примакова

Назван по имени американского физика, родившегося в Одессе, Генри Примакова (Henry Primakoff, 1914–1983). Эффект состоит в том, что в статическом электрическом или магнитном поле (то есть взаимодействуя с виртуальными фотонами) фотон может превращаться в некоторые нейтральные массивные частицы (первоначально эффект был рассмотрен для нейтрального пи-мезона). Аксион — это лишь частный случай. Поскольку речь идет не только о магнитном поле, но и об электрическом, то превращение может произойти, например, при взаимодействии фотонов достаточно высоких энергий с атомными ядрами. Процесс обратим, то есть аксион (и подобные ему псевдоскалярные частицы) может в электрическом или магнитном поле превратиться в фотоны. Это называют обратным эффектом Примакова.

Резонансный поиск аксионов. Эксперимент ADMX

Как мы помним, аксион считается одним из лучших кандидатов на роль частицы темной материи. Если это действительно так, то наша Галактика должна быть погружена в облако («гало») всепроникающих, но сравнительно медленных реликтовых аксионов, возникших при Большом взрыве. В каждом кубическом сантиметре вокруг нас должны быть тысячи этих частиц. В магнитном поле они могут конвертироваться в фотоны, причем из-за медленного движения все фотоны будут рождаться с одинаковой энергией, соответствующей массе аксиона (доплеровский сдвиг влияет на энергию фотона мало, поскольку скорости аксионов гало должны быть относительно невелики, сотни километров в секунду, иначе они не удерживались бы в Галактике). Значит, в подходящем по размерам (кратном половине длины волны) резонаторе, помещенном в магнитное поле, должны постепенно накапливаться фотоны. К сожалению, этот метод подходит лишь для радиочастотных фотонов с частотой, близкой к частоте электромагнитного поля в микроволновке, и энергией порядка нескольких микроэлектронвольт. С такой техникой работают несколько групп ученых, наиболее чувствителен на сегодня детектор ADMX. Положительных результатов поиски пока не дали, однако некоторые значения возможной массы аксиона и его константы связи с фотоном уже исключены.

Новый эксперимент WISPDMX (WISP Dark Matter eXperiment, WISP — weakly interacting slim particles) использует такой же подход. Для работы над ним были даже привлечены радиоастрономы, так как хорошие методики регистрации слабых сигналов на частотах порядка гигагерц разработаны именно в этой области.

Эксперимент PVLAS

Одно из важных следствий аксионного эффекта Примакова — возникновение оптических свойств у вакуума в магнитном поле. Во-первых, фотон с подходящей поляризацией, пролетая сквозь поперечное магнитное поле, может конвертироваться в аксион и «исчезнуть» для наблюдателя, то есть вакуум как бы «поглощает» часть света с определенной поляризацией относительно направления пучка и направления поля. Во-вторых, превращение фотона в виртуальный аксион и обратно приводит к уменьшению фазовой скорости электромагнитной волны — то есть при включении поля коэффициент преломления вакуума для света с поляризацией, параллельной полю, начинает отличаться от единицы. При этом волна с другой, перпендикулярной поляризацией не чувствует поля. Первый эффект называется вакуумным дихроизмом — избирательным поглощением света в зависимости от поляризации. Второй носит название вакуумного двулучепреломления. Оба эффекта без эпитета «вакуумный» и без всякого магнитного поля можно легко наблюдать невооруженным глазом при прохождении света через анизотропные кристаллы, например исландский шпат. В вакууме же для любой достижимой в лаборатории интенсивности поля оба эффекта будут очень слабыми. Но всё же попытка детектировать такие эффекты была, и она привела к интересным результатам. Группа физиков, проводившая эксперимент PVLAS, в котором поляризованный лазерный пучок света, сотни тысяч раз отражаясь от двух зеркал, многократно проходил через сильное магнитное поле, заявила о наблюдении слабого аномального поворота плоскости поляризации. Это можно было объяснить потерей в вакууме одной из поляризационных компонент, то есть превращением части света в аксионы. Проблема, однако, была в том, что параметры аксиона, если считать «виновником сенсации» именно его, не согласовывались с уже установленными результатами других экспериментов, в частности CAST. К сожалению, после более тщательного анализа выяснилось, что наблюдавшийся эффект был артефактом (то есть относился к измерительному прибору). Учет всех погрешностей при наблюдениях на пределе чувствительности экспериментальной техники — очень сложная задача.

Баксанский эксперимент

На Северном Кавказе, в тоннеле глубоко под горой Андырчи, расположена Баксанская нейтринная обсерватория. Хотя помещать обсерваторию под землю кажется на первый взгляд нонсенсом, но иначе невозможно защититься от космических лучей, мешающих проводимым здесь тонким исследованиям. В туннелях находится несколько установок: приборы для наблюдения нейтрино, поиска редких ядерных распадов и… аксионов. Недавно для аксионных исследований был создан новый детектор. Он небольшой (с ведро), но очень эффективный. Его принцип работы не связан с эффектом Примакова. Но как и CAST, он ловит аксионы от Солнца.

Аксионы могут испускаться возбужденными ядрами самых разных элементов (конечно, ядро должно быть не слишком простым, уж водород точно не будет ничего испускать; есть и ряд других, не всегда совместимых требований). Энергия испущенных аксионов зависит от свойств ядра и строго фиксирована. Процесс может быть обращен, то есть аксионы с данной энергией могут поглощаться ядрами, которые перейдут в возбужденное состояние, а затем вернутся обратно в основное состояние, испустив гамма-квант, причем с энергией такой же, как у первоначального аксиона. Гамма-кванты в рабочем теле детектора потратят свою энергию на ионизацию вещества, то есть породят свободные электроны и ионы. А их количество мы можем подсчитать, наложив на рабочее вещество электрическое поле и собрав высвободившийся заряд на электродах детектора. Чем больше собранный заряд, тем больше была энергия поглотившегося гамма-кванта.

Теперь надо выбрать вещество детектора, которое (в этом весь трюк) одновременно должно стать и мишенью с ядрами, конвертирующими аксионы в гамма-кванты. Ведь события, интересующие нас, редки, и каждый возникший гамма-квант должен пойти в дело, вызвать ионизацию в рабочем веществе детектора, а не поглотиться бесполезно где-то по пути. С одной стороны, хочется взять такое вещество, которого много на Солнце. Но с технической точки зрения это не очень удобно. К счастью, Солнце большое, и там разных ядер достаточно. Например, можно взять очень удобный с точки зрения создания детектора криптон-83. С ним легко работать. Оказывается, он очень хорошо подходит для регистрации аксионов, испущенных таким же криптоном-83 на Солнце.

Детектор (газовая пропорциональная камера из сверхчистой меди) уже начал работать и выдавать первые результаты. Как и в случае всех прочих экспериментов, аксионов он пока не увидел. Но установку будут совершенствовать, и кто знает…

Нейтронные звезды и аксионы

Если Вселенная заполнена аксионами и работает эффект Примакова, то где-то протекают процессы превращения аксионов в фотоны и обратно в естественных магнитных полях. Нам проще увидеть фотоны. Поэтому обычно рассматривают именно процесс превращения аксионов в кванты электромагнитного излучения. В итоге мы должны увидеть в спектре источника лишнюю деталь.

Проблема в том, что мы зачастую не знаем, как в точности должен был бы выглядеть спектр без конверсии аксионов. Поэтому нужно найти достаточно близкие объекты с сильным магнитным полем, про спектр которых известно достаточно много и которые регулярно наблюдают. Лучшими кандидатами оказались нейтронные звезды.

Относительно близко (малые сотни парсек) расположено несколько нейтронных звезд с сильным магнитным полем — это объекты так называемой Великолепной семерки. Реликтовые аксионы могут превращаться в магнитных полях нейтронных звезд. В зависимости от параметров аксионов фотоны могут оказываться в разных спектральных диапазонах. В частности, в радиодиапазоне. Источники Великолепной семерки не являются радиопульсарами. Это облегчает поиск «лишнего» радиоизлучения. Однако пока ничего не видно. Может быть, аксионы просто имеют другие параметры.

Механизм Печчеи — Квинн

Назван по именам Роберто Печчеи (Roberto Peccei) и Хелен Квинн (Helen Quinn). Согласно их предположению, нарушения СР-инвариантности в сильных взаимодействиях не наблюдается благодаря существованию особого физического поля, которое заставляет исчезнуть эффекты CP-нарушения динамически таким же образом, как вода собирается в самую глубокую часть тарелки с круглым дном, стремясь к минимуму потенциальной энергии. Поскольку физические поля связаны с частицами, то модель Печчеи — Квинн предсказывает существование новой частицы — аксиона.

«Свет сквозь стену»

После появления первых обнадеживающих результатов коллаборации PVLAS было запущено несколько экспериментов по поиску аксионов. Благо это относительно небольшие и недорогие опыты, в которых принципиально понятно, что надо делать.

Идея снова завязана на эффект Примакова. Надо создать мощный поток фотонов, пропустить их через сильное магнитное поле, а потом фотоны и аксионы разделить. После чего можно снова использовать поле, чтобы превратить аксионы в фотоны, которые и будут регистрироваться.

Разделение фотонов и аксионов основано на том, что аксионы плохо взаимодействуют с веществом и таким образом легко «проходят сквозь стену». Отсюда и название эксперимента. Есть несколько проектов такого типа.

Охлаждение белых карликов

Компактные объекты (белые карлики и нейтронные звезды) рождаются горячими. Дальше они остывают. Наличие внутренних источников тепла может притормозить этот процесс, но все-таки это дорога в одну сторону. Оказывается, что изучение остывания таких небесных тел может дать очень много для Большой Физики. В частности, есть гипотеза, что аксионы играют важную роль в остывании белых карликов — они рождаются внутри этих объектов и покидают их, унося энергию. Значит, если мы не учтем этот процесс в расчетах остывания, то наши модельные кривые будут предсказывать более высокую температуру.

Теперь задача сводится, с одной стороны, к наиболее точному расчету моделей остывания, а с другой — к определению из наблюдаемых температур возраста белых карликов. Если окажется, что без аксионов наблюдаемые данные не объяснить, то вот оно и открытие (пусть и косвенное)! Но пока, к сожалению, и модели недостаточно точные (и это главное), и данные наблюдений далеки от идеальных. Так что и так «ухватить» аксионы пока не вышло.

Возможное наблюдение солнечных аксионов спутником XMM—Newton

Интересная статья появилась в 2014 году. Джордж Фрейзер (George Fraser) и его соавторы заявили, что обнаружили косвенные данные в пользу существования аксионов, используя космический рентгеновский телескоп XMM-Newton. Если от Солнца летят аксионы, то они могут взаимодействовать с магнитным полем Земли и превращаться в фотоны за счет эффекта Примакова. Солнечные аксионы должны давать фотоны рентгеновского диапазона. Важно: чтобы их увидеть, прибор не должен быть прямо направлен на солнце. Ведь в магнитосфере успевает произойти несколько превращений (см. рис.). Поскольку взаимная ориентация силовых линий геомагнитного поля, направления наблюдений и Солнца меняется в течение года, то спутник должен видеть, что фоновое излучение также немного меняется в течение года. Фон, связанный с далекими галактиками, с межзвездным газом и тому подобным, остается примерно постоянным, а вот аксионная часть должна варьироваться. И такой эффект обнаружен. Правда, пока совсем не очевидно, что эффект надо объяснять именно аксионами.