Gwałtownie przyspieszane jądra atomowe mogą potencjalnie wytwarzać aksjony, hipotetyczne cząstki, które są kandydatami do długo poszukiwanej „ciemnej materii”. Opracowana została praca teoretyczna, która opisuje mechanizm tego procesu, jednakże same obliczenia to tylko część wyzwania. Wykrycie tych cząstek w rzeczywistości wymaga znacznych wysiłków.
Stefan Evans i Ralf Schützhold, naukowcy z niemieckiego ośrodka Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, opisali mechanizm, który może prowadzić do powstawania aksjonów w wyniku ruchu jąder atomowych. Opublikowane wyniki znajdują się w artykule zamieszczonym w czasopiśmie „Physical Review D”. Badacze koncentrują się na różnicy między właściwościami próżni kwantowej wewnątrz jądra atomowego i poza nim, co, według rozważanej teorii, wpływa na masę tych hipotetycznych cząstek. Obliczenia sugerują, że wystarczająco intensywne przyspieszenie jądra mogłoby zmienić część energii napary aksjonów, jednak te założenia wciąż wymagają potwierdzenia w laboratoriach. W tym miejscu kończą się dobre wiadomości, ale szczegóły zostaną przedstawione poniżej.
Dlaczego jądro atomowe mogłoby zmienić masę aksjonu?
Ciemna materia jest przypisywana efektom grawitacyjnym, które nie mogą być wyjaśnione jedynie obecnością zwykłej materii: stanowi to obecnie nasz najważniejszy trop atakujący temat ciemnej materii. Przyjęty model kosmologiczny sugeruje, że we Wszechświecie ciemnej materii jest około pięć razy więcej niż materii tworzącej gwiazdy, planety i nasze ciała. Aksjony są jednym z proponowanych kandydatów na ciemną materię, ale pierwotnie zasugerowano je z innych powodów. Miały one pomóc w rozwiązaniu zagadki związanej z chromodynamiką kwantową: teorią, która opisuje siły wiążące kwarki w protonach i neutronach. Zastanawiano się nad tym, dlaczego dopuszczalne w tej teorii naruszenie określonej symetrii CP nie ujawnia się w wykonywanych pomiarach.
Związek aksjonów z oddziaływaniami silnymi stanowi doskonałą podstawę do prowadzenia obliczeń. Próżnia kwantowa ma złożoną strukturę, opisaną między innymi przez kondensat kwarkowy, który wiąże się z parami kwarków i antykwarków; jego wartość wpływa na efektywną masę aksjonu. W obrębie jądra atomowego kondensat jest częściowo „osłabiony”, a więc masa aksjonu powinna być tam mniejsza niż poza jądrem. Materia „jądrowa” działałaby na pole aksjonowe jak różny ośrodek: można to porównać do zmiany zachowania się światła w wodzie w porównaniu do powietrza. Ta różnica mogłaby mieć znaczenie nawet w przypadku, gdyby przez jądro nie przelatywały żadne rzeczywiste aksjony.
Ruch mógłby przekształcać energię w cząstki?
Pola kwantowe przechowują fluktuacje nawet w stanie próżni, czyli w teoretycznym stanie najniższej dostępnej energii. Obecność obiektów może zmieniać dozwolone fluktuacje; dobrym przykładem jest efekt Casimira między blisko ustawionymi płytkami przewodzącymi. Zmiany energii pola mogą prowadzić do wytworzenia mierzalnej siły. Evans i Schützhold obliczyli analogiczne przyciąganie między dwoma nieruchomymi jądrami, wynikające z ich wpływu na hipotetyczne pole aksjonowe. W sytuacji, gdy obiekt oddziałujący z polem przemieszcza się w odpowiedni, dostatecznie gwałtowny sposób, może przekazywać jego energię i powodować powstawanie cząstek – w tym przypadku aksjonów.
W ten sposób ujawnia się dynamiczny efekt Casimira, który został już zaobserwowany w układach generujących fotony, ale nie potwierdzono go jeszcze dla aksjonów. W postulowanym mechanizmie przyspieszające jądro emitowałoby parę splątanych aksjonów, których stan kwantowy musiałby być opisany razem. Autorzy wskazują również na interpretację związana z efektem Unruha. Rozpraszanie aksjonu w takich warunkach przez jądro byłoby równoważne w opisie laboratoryjnym emisji pary aksjonów.
Bliskie przeloty jonów i stare, znane problemy
Możliwe miejsce do poszukiwania nasilenia efektu to ultraperyferyjne zderzenia ciężkich jonów. Tutaj nie chodzi o bezpośrednie kolizje, lecz o sytuacje, w których rozpędzone jądra przechodzą obok siebie bez fizycznego kontaktu, oddziałując głównie poprzez swoje pola elektromagnetyczne. W trakcie takiego przelotu zmienia się kierunek ruchu jąder, co sprawia, że następuje ich przyspieszenie, nawet bez zwiększania prędkości. Taka gwałtowna zmiana ruchu może pobudzać pole aksjonowe w odpowiedni sposób, co potrzebne jest do emisji pary cząstek.
Czytaj również: Czy właśnie ZOBACZYLIŚMY ciemną materię? Bardzo możliwe!
Nadal pozostaje kwestia wydajności tego procesu: prawdopodobieństwo powstania pary jest silnie uzależnione od masy aksjonu oraz czasu, w którym ruch jądra się zmienia. Autorzy wskazują, że szanse na uzyskanie takiego zjawiska są małe, a dokładniejsze rozważania korzystnych warunków wymagają dalszych obliczeń.
Nawet jeżeli udałoby się wyprodukować aksjony, to musiałyby one jeszcze trafić do odpowiedniego detektora, pozostawiając rozpoznawalny sygnał, na przykład w urządzeniu wykorzystującym ciekły ksenon. Nie ma więc gwarancji, że nawet jeśli aksjony się pojawią, będziemy potrafili je „złapać”. Gdyby udało się je wykryć, byłoby to przede wszystkim odkrycie nowej cząstki. Jednak pytanie, czy byłaby to ciemna materia… nastręcza znacznie więcej trudności w badaniach.