Axiony jsou částice, jejichž existenci teoretici předpokládají již od 70. let 20. století. Narušení levopravé symetrie bylo pro slabou interakci prokázáno v roce 1957 a narušení CP symetrie v roce 1964. Dodnes však nebylo žádné takové narušení symetrie nalezeno pro silnou interakci. To by mělo být důsledkem existence další symetrie (Peccei-Quinnovy) a částic, které ji narušují (axionů). Axiony by měly být velmi lehké částice interagující s látkou jen slabou a gravitační interakcí. Jde o jednoho z vážných kandidátů na temnou hmotu. Z experimentálního hlediska je klíčová předpověď vzájemné konverze axionů a fotonů v silném magnetickém poli, která může probíhat oběma směry, tj. v silném poli se mohou axiony měnit na krátkovlnné fotony a naopak fotony na axiony. Na této konverzi jsou založeny veškeré současné pokusy o detekci axionů. O některých z nich jsme informovali již dříve. Námětem dnešního bulletinu je současný stav honby za axiony a návrhy dalších způsobů jejich detekce.
|
Axion – málo hmotný, slabě interagující boson se spinem 0 postulovaný kvantovou chromodynamikou. Souvisí s nepozorováním narušení CP symetrie v silné interakci. Je jedním z kandidátů na temnou hmotu. Měl by vznikat v období krátce po Velkém třesku. PVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10-12 rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení je pravděpodobně způsobeno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům. CAST – Cern Axion Solar Telescope, dalekohled určený pro pozorování axionů vznikajících v nitru Slunce. Silný magnet o indukci 9 T a délce 10 m by měl některé sluneční axiony konvertovat zpět na RTG fotony, které je možné zachytit detektory. Dalekohled funguje od roku 2003. ALPS – Axion Like Particle Search, experiment připravovaný v německém DESY (Hamburg). Fotony emitované z laditelného laseru na volných elektronech budou v silném magnetickém poli (6 magnetů, každý s indukcí 2,24 T) konvertovány na axiony, které po průchodu neprůhlednou deskou budou opětovně převedeny na fotony. S měřením se počítá od léta 2007. |
| První axiony? |
Veliký zlom v názorech na axiony nastal v březnu 2006. Italská skupina vědců detekovala v dnes již proslulém experimentu PVLAS změnu polarizace světla procházejícího silným magnetickým polem. Rovinná polarizace se změnila na eliptickou a polarizační rovina se stočila o malý, ale měřitelný úhel. Jedno z možných vysvětlení je, že světlo částečně konvertovalo na axiony a tím došlo ke změně roviny polarizace. Pokud je tato interpretace experimentu správná, šlo by o první nepřímou detekci axionů. Experiment PVLAS odstartoval přípravu řady dalších experimentů, které by měly existenci axionů buď definitivně potvrdit, a nebo vyvrátit. V experimentu PVLAS byla změřena i vazebná konstanta konverze axionů a fotonů.
 |
| Italský experiment PVLAS. Zdroj: PVLAS |
Některé axiony by měly vznikat i ze slunečních fotonů přímo uvnitř Slunce. Tyto axiony se pokouší hledat experiment CAST v CERNu, bohužel zatím neúspěšně. Jde o „dalekohled“, jehož hlavním prvkem je magnet, který by měl sluneční axiony konvertovat zpět na fotony. Pokud byla interpretace stočení roviny světla v experimentu PVLAS správná a stočení způsobily axiony, měl by experiment CAST dát pozitivní výsledky. Nesouhlas obou experimentů znamená buď chybné určení vazebné konstanty v experimentu PVLAS nebo jeho mylnou interpretaci. Stočení roviny světla mohl způsobit nějaký jiný, neznámý jev.
Situaci by mohl objasnit další připravovaný experiment v německém DESY u Hamburgu. Zdrojem světla je zde laser na volných elektronech, který se původně jmenoval FEL (Free Electron Laser) a později FLASH (Free elestron LASer in Hamburg). Světlo bude vedeno přes šest silných magnetů, kde by malá část měla konvertovat na axiony. V cestě světla bude neprůhledná stěna a za ní další šestice magnetů. Pokud skutečně světlo zkonvertuje na axiony, projdou axiony stěnou a za ní bude v magnetickém poli jejich malá část opět konvertována na světlo. Samo světlo stěnou neprojde a tak by pozitivní detekce světla za stěnou byla nezávislým nepřímým potvrzením existence axionů. Experiment by měl být po mnoha průtazích a přejmenovávání zprovozněn pod názvem ALPS (Axion Like Particle Search) v létě letošního roku.
 |
| Jeden z dipólových magnetů, které budou použity v experimentu ALPS. Realizace experimentu byla definitivně schválena v lednu 2007. |
| Modifikace experimentu se stěnou, kvazar 3C 279 |
Zajímavou modifikaci Hamburgského experimentu ALPS navrhli Malcolm Fairbairn z CERNu, Timur Rashba z MPI a Sergey Troitsky z RAS. Jako neprůhledná stěna by mohlo posloužit celé naše Slunce! Zdrojem světla by měl být vzdálený kvazar 3C 279. Ten se každý říjen dostává na spojnici kvazar–Slunce–Země a dochází tedy k jeho zákrytu Sluncem. Pokud je vazebná konstanta vzájemné konverze axionů a fotonů naměřená v experimentu PVLAS správná, měly by přibližně 2 % gama fotonů z kvazaru zkonvertovat v silných magnetických polích na povrchu Slunce na axiony. Tyto axiony bez problémů projdou celým Sluncem a na druhé straně budou silnými magnetickými poli na povrchu konvertovány zpět na světlo v gama oboru. Cílem navrhovaného experimentu je hledat tyto zpětně konvertované gama fotony pomocí gama observatoře GLAST umístěné ve vesmíru. Pokud by tyto gama fotony nebyly při říjnových zákrytech detekovány, znamenalo by to chybnou interpretaci experimentu PVLAS.
Ať dopadnou experimenty jakkoli, je nalezení nebo nenalezení axionů klíčovou záležitostí v pochopení stavby látky a podstaty temné hmoty ve vesmíru.
 |
| Mimořádně svítivý proměnný kvazar 3C 279. Zdroj: University of Alabama. |
| Po napsání... |
Podle posledních zpráv z konce června 2007 je italský experiment PVLAS reprodukovatelný pouze s magnetickým polem 5,5 T. V roce 2007 došlo k několika vylepšením experimentu a při nižších hodnotách indukce pole (například při experimentech na 2,3 T) k žádnému měřitelnému stočení roviny polarizace světla nedošlo. Hlavní autor experimentu E. Zavattini zemřel 9. ledna 2007. Ostatní autoři experimentu se nyní domnívají, že stočení roviny polarizace je úměrné B2, což vylučuje axionovou interpretaci experimentu a s největší pravděpodobností šlo o nějakou systematickou chybu. Tím by výsledky experimentu byly v souladu s experimentem CAST. Konečné slovo ale řekne až experiment ALPS a sledování zákrytu kvazaru 3C 279.
P invariance – Symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru (P = Parity). O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60.
Slabá interakce – interakce s konečným dosahem, působí na kvarky a leptony. Intermediálními částicemi jsou vektorové bosony W+, W− a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je beta rozpad neutronu.
CP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali J. V. Cronin a V. Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů.
Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější je proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomového jádra.
Temná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá známým gravitačním zákonům a množství pozorované hmoty. Tvoří několikanásobek hmotnosti atomární látky galaxií a 23 % hmoty vesmíru. Prozatím je mnoho možností, co všechno by mohlo být temnou hmotou. Dosud ji však neumíme přímo detekovat. Termín zavedl v roce 1933 F. Zwicky poukázáním na neklesající rychlost oběhu hvězd ve vnějších oblastech galaxií – oběh zde musí způsobovat něco, co není vidět, odtud pojmenování „temná hmota“.
Foton – kvantum elektromagnetického záření, například světla. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = hf, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění.
CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostaven v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.
DESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FEL.
MPI – Max Planck Institute, největší vědecký ústav v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech.
RAS – Royal Astronomical Society, Královská astronomická společnost. Anglická vědecká společnost založená v roce 1820.
Kvazar – objekty objevené 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (řádově 1041 W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jsou poznamenány rozpínáním vesmíru a jejich světlo je výrazně posunuté k červenému konci spektra. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Pravděpodobně zárodky budoucích galaxií, často s obří černou dírou v centru a s charakteristickým výtryskem hmoty.
GLAST – Gamma-ray Large Area Space Telescope, kosmický dalekohled pro obor gama, v roce 2007 by se měl stát následovníkem slavné gama observatoře Compton. Projekt USA. Citlivost 0,01÷0,1 TeV.
