Το σωματίδιο φάντασμα, άξιον, μπορεί να λύσει προβλήματα

Τα άξιον είναι υποθετικά σωματίδια που μερικοί σωματιδιακοί φυσικοί προτείνουν ότι αν υπάρχει μπορεί να μας λύσει κάποια μυστηριώδη και άλυτα προβλήματα της φυσικής. Πρώτον αποτελεί ένα πολύ καλό υποψήφιο σωματίδιο της σκοτεινής ύλης και μάλιστα είναι WIMP (αντί για το νετραλίνο), έως και να είναι η αιτία για μερικές από τις ασυμμετρίες που συμβαίνουν μεταξύ των αριστερόχειρων και δεξιόχειρων πραγμάτων στο σύμπαν, το γνωστό σαν «CP πρόβλημα» των ισχυρών αλληλεπιδράσεων. 

Πείραμα για την ανακάλυψη των αξιονίων

Επίσης, η ύπαρξη του άξιον θα εξηγούσε πολλά απρόσμενα αστροφυσικά φαινόμενα, όπως το μυστήριο της θέρμανσης του στέμματος του Ήλιου. Τα σωματίδια αυτά θα πρέπει να παράγονται βαθιά μέσα στον Ήλιο και θα πρέπει να αλληλεπιδρούν με κάποια από τα μαγνητικά πεδία του Ήλιου καθώς αυτά ρέουν προς τα έξω, παράγοντας εκλάμψεις, που   κυρίως εκπέμπουν ακτινοβολία σε μήκη κύματος της περιοχής των ακτίνων Χ.

Σύμφωνα με τη θεωρία τα αξιόνια . θα έχουν μεγάλη σημασία για τη φυσική σωματιδίων και την κοσμολογία, προτάθηκε μάλιστα από τον καθηγητή του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης Κώστα Ζιούτα ένα πείραμα το CAST (Cern Axion Solar Telescope) για την ανακάλυψη του. .

Τα σωματίδια αυτά – που ενδεχομένως παρήχθησαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη και θα μπορούσαν να ελλοχεύουν ολόγυρα μας – είναι όχι μόνο μικροσκοπικά αλλά και άπιαστα σωματίδια που αλληλεπιδρούν 10¹⁰ πιο ασθενικά με την ύλη από ό,τι το νετρίνο, του οποίου η ανίχνευση ήδη είναι πολύ δύσκολη. Τα αξιόνια – αν υπάρχουν – θα διαθέτουν μια εξαιρετικά μικρή μάζα της τάξεως 10⁻⁶ έως 10⁻² eV/c² — δηλαδή μικρότερη του 1 εκατομμυριοστού εκείνης του ηλεκτρονίου — και θα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα για να αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη, γεγονός που δυσχεραίνει την ανίχνευση τους.

Ίσως να παράγονται στον ήλιο και έτσι να μας διαπερνούν απ’ άκρη σ’ άκρη, ενώ οι φυσικοί προβλέπουν ότι πολύ μικρό κλάσμα ενός πλήθους φωτονίων που διαπερνούν κάποιο μαγνητικό πεδίο μετατρέπεται σε αξιόνια. (Με αυτόν ακριβώς τον τρόπο προβλέπεται ότι παράγονται στον Ήλιο.)

Το όνομα τους τα αξιόνια το έχουν δανειστεί από ένα απορρυπαντικό πλυντηρίου ρούχων και μάλιστα είχε προταθεί αρχικά για να ‘καθαρίσουν’ οι φυσικοί με ένα πρόβλημα της σωματιδιακής φυσικής. Συγκεκριμένα ήθελαν να εξηγήσουν για ποιο λόγο η ισχυρή πυρηνική δύναμη διατηρεί τη λεγόμενη συμμετρία CP, η οποία συσχετίζει τις ιδιότητες των σωματιδίων με των αντισωματιδίων. Υπολογισμοί στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής έδειχναν ότι η ισχυρή δύναμη θα διατηρούσε τη συμμετρία CP μόνο εφόσον μια συγκεκριμένη παράμετρος της θεωρίας μηδενιζόταν, ωστόσο εξαιτίας κβαντικών φαινομένων η τιμή της παραμέτρου αυτής φαίνεται ότι δεν είναι μηδέν. Μερικοί φυσικοί (Helen Quinn και Roberto Peccei στο πανεπιστήμιο του Stanford) έδειξαν ότι, ανάγοντας την παράμετρο αυτή σε κβαντικό πεδίο, η τιμή του θα μηδενιζόταν μέσω κάποιας φυσικής διαδικασίας. Απόρροια του νέου πεδίου, όμως, θα ήταν η ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου —του αξιονίου.

Το 2000, ο Giovanni Cantatore στο Ιταλικό Ίδρυμα Πυρηνικής Φυσικής ερευνούσαν τη συμπεριφορά των φωτονίων από μια φωτεινή ακτίνα λέιζερ μέσω ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Παρατήρησαν ότι η πόλωση του φωτός μετατοπίστηκε ελαφρώς μόλις πέρασε από το πεδίο – κάτι που δεν ήταν το φαινόμενο που έψαχναν.

Η ομάδα του Giovanni Cantatore  υπέθεσε ότι η μετατόπιση της πόλωσης θα μπορούσε να έχει προκύψει από το μαγνητικό πεδίο μετατρέποντας κάποια από τα φωτόνια της ακτίνας λέιζερ σε αξιόνια, τα οποία δεν θα μπορούσαν έπειτα να ανιχνευθούν. Αλλά η μετατόπιση που είδαν οι ερευνητές, ενώ ήταν μικροσκοπική, ήταν πολύ μεγαλύτερη από όσο οι φυσικοί θεωρούσαν σαν πιθανή. Εάν ένα τέτοιο φαινόμενο εμφανιζόταν στους πυρήνες των άστρων, παραδείγματος χάριν, η εκπομπή των σωματιδίων άξιον θα αναρροφούσε την ενέργεια, μειώνοντας έτσι την διάρκεια ζωής του άστρου πολύ περισσότερο από την πραγματική διάρκεια του.

Πάντως άλλοι φυσικοί που εκτέλεσαν το ίδιο πείραμα δεν παρατήρησαν κανένα τέτοιο φαινόμενο, κι έτσι η ιδέα του Cantatore εγκαταλείφτηκε.

Εκτός από τα νετραλίνο και τα αξιόνια οι θεωρητικοί φυσικοί διαθέτουν μια τεράστια λίστα κι άλλων υποθετικών WIMP’s, με εξωτικά ονόματα όπως βαρυτίνα, φωτίνα και Higgs-ίνα. Δεν γνωρίζουμε αν πραγματικά υπάρχουν, όμως αν υπάρχουν παίζουν βαρύνοντα ρόλο στη μάζα της σκοτεινής ύλης.

Οι θεωρητικοί πιστεύουν πως τα σωματίδια αυτά είναι συνολικά μέρος της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος, μαζί με τα νετρίνα, τα Higgs κι άλλα πολλά σωματίδια. Αποτελούν υπολείμματα της Μεγάλης Έκρηξης και δεν συμπεριλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής.

Υποθέτουν δε οι φυσικοί πως οι γαλαξίες είναι εμβαπτισμένοι σε συγκεντρώσεις αργά κινουμένων WIMP’s που έχουν τη μορφή σταγόνων. Οι ταχύτητες τους μπορεί να είναι της τάξης χιλιάδων km/s. Καθώς το ηλιακό μας σύστημα κινείται μέσα στο Γαλαξία, διασχίζει  αυτή την θάλασσα των σωματιδίων με ταχύτητα των 220 km/s και έτσι κάθε χιλιόγραμμο της ύλης της Γης, θα μπορούσε να σκεδάζει κάθε ημέρα περίπου 1000 WIMP’s. 

Πρέπει να σημειωθεί ότι η ύπαρξη των αξιονίων είναι επίσης ένα απαραίτητο συστατικό της θεωρίας χορδών, ενώ στις θεωρίες της υπερσυμμετρίας το αξιόνιο έχει και  βαθμωτό και φερμιονικό υπερ-ταίρι. Το φερμιονικό υπερ-ταίρι του είναι το αξίνο ενώ το βαθμωτό ονομάζεται s-άξιον.