Το πείραμα για την ανακάλυψη του σωματιδίου άξιον ξεκίνησε

Πηγή: PhysicsWeb, Δεκέμβριος 2004

Ένα πείραμα που χτίζεται από τα συστατικά που ανακυκλώνονται από άλλα πειράματα έχει βάλει νέα όρια στις ιδιότητες των σωματιδίων που αποκαλούμε "σκοτεινή ύλη" και που  αποτελούν περίπου το 25% του κόσμου. Το ηλιακό τηλεσκόπιο του CERN (CAST) Axion  χτίστηκε για να αναζητήσει τα εξωτικά σωματίδια που λέγονται axions και τα οποία ίσως παράγονται μέσα στον ήλιο.

Αν και το CAST δεν βρήκε οποιαδήποτε axions, βελτίωσε ωστόσο το υπάρχον όριο στη σύζευξη μεταξύ των axions και των φωτονίων. Η σύζευξη αυτή συσχετίζεται με τη μάζα των υποθετικών αυτών σωματιδίων. Το όριο αυτό βελτιώθηκε κατά έναν παράγοντα πέντε για  μάζες κάτω από 0,02 ηλεκτρονιοβόλτ.

Τα Axions είναι ένας από τους κύριους υποψηφίους για την σκοτεινή ύλη, μαζί με τα υπερσυμμετρικά σωματίδια που λέγονται neutralinos. Προτάθηκαν αρχικά για να εξηγήσουν γιατί η ισχυρή αλληλεπίδραση, αντίθετα από την ασθενή αλληλεπίδραση, δεν παραβιάζει τη συμμετρία φορτίου-ισοτιμίας (CP).

Τα Axions παράγονται πιθανά στον ήλιο όταν σκεδάζονται τα θερμικά φωτόνια από τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια στον ηλιακό πυρήνα. Τα θεωρητικά πρότυπα και οι αστροφυσικές παρατηρήσεις περιορίζουν τη μάζα του axion σε τιμές μεταξύ ενός εκατομμυριοστού ενός ηλεκτρονιοβόλτ (eV) και μερικά eV. Η ανίχνευση των axions θα παρείχε περαιτέρω ενδείξεις για τη νέα φυσική πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Εάν τα axions υπάρχουν, το ισχυρό μαγνητικό πεδίο στο CAST πρέπει να μετατρέπει τα axions που παράγονται στον ήλιο, σε φωτόνια ακτίνων X. Για να παραγάγει έναν τέτοιο μαγνητικό πεδίο η ομάδα του CAST ανακύκλωσε έναν πειραματικό μαγνήτη που ανήκε στον μεγάλο συγκρουστή Hadron Collider (LHC) στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN). Αυτός ο μαγνήτης, που είναι 10 μέτρα μακρύς, είναι σε θέση να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο 9 Tesla.

Το τηλεσκόπιο παρατηρεί τον ήλιο για περίπου τρεις ώρες κάθε ημέρα - μεταξύ της ανατολής και της δύσης του ήλιου - ενώ κατά το υπόλοιπο της ημέρας στρέφεται μακριά από τον ήλιο για να καταγράψει το υπόβαθρο.

Ένα σήμα axion πρέπει να εμφανιστεί ως περίσσεια φωτονίων των ακτίνων X επάνω από το υπόβαθρο σε τρεις διαφορετικούς ανιχνευτές των ακτίνων X,  όταν ευθυγραμμίζονται ο ήλιος και ο μαγνήτης. Τα μέρη του συστήματος ανίχνευσης των ακτίνων X  χτίστηκαν αρχικά για το διαστημικό τηλεσκόπιο ABRIXAS των ακτίνων X,  και σήμερα πια έχουν ανακυκλωθεί.

Μέχρι τώρα η ομάδα του πειράματος CAST έχει αναλύσει τα στοιχεία που λήφθηκαν μεταξύ του Μαΐου και του Νοεμβρίου του 2003, και αναλύει αυτήν την περίοδο τα φετινά στοιχεία που λαμβάνονται με βελτιωμένους όρους. Το προσεχές έτος η ομάδα προγραμματίζει να καταστήσει το πείραμα πιό ευαίσθητο στις υψηλότερες μάζες με την πλήρωση του ανιχνευτή με ένα αέριο.

Η συνεργασία του CAST περιλαμβάνει φυσικούς από το Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) και 14 άλλα εργαστήρια στον Καναδά, την Κροατία, τη Γαλλία, τη Γερμανία, την Ελλάδα, τη Ρωσία, την Ισπανία και τις ΗΠΑ.