Η έκλειψη ενός κβάζαρ θα μπορούσε να διευκρινίσει το μυστήριο των αξιονίων

Πηγή: PhysicsWeb, 25 Μαΐου 2007

Φυσικοί έχουν επινοήσει ένα πείραμα που θα μπορούσε να διευκρινίσει εάν υπάρχουν πραγματικά κάποια πολύ ελαφρά υποθετικά σωματίδια, που λέγονται αξιόνια -- και που μερικοί ισχυρίστηκαν πέρυσι πως τα είδαν στο εργαστήριο τους -- υπάρχουν πραγματικά. Το πείραμα προβλέπει τη χρησιμοποίηση διαστημικών τηλεσκοπίων για να ελέγξουν εάν οι ακτίνες γάμμα από τα κβάζαρ, δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας μπορούν να ταξιδέψουν μέσω του ήλιου αλληλεπιδρώντας με το μαγνητικό πεδίο του (Phys. Rev. Lett. 98 201801).

Το αξιόνια είναι υπερβολικά ελαφριά σωματίδια που προβλέφθηκαν αρχικά στη δεκαετία του '70 για να επιλύσουν μια απόκλιση μεταξύ των πειραματικών δεδομένων και της θεωρίας της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Αλλά πρόσφατα, οι θεωρητικοί έχουν αρχίσει να αναρωτιούνται εάν θα μπορούσαν τα αξιόνια, επίσης, να είναι τα σωματίδια που αποτελούν την σκοτεινή ύλη - την ουσία που νομίζουμε ότι αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας στον Κόσμο μας.

Θα δούμε φως;

Επειδή τα αξιόνια αλληλεπιδρούν πολύ ασθενικά με την ύλη, τα περισσότερα πειράματα ελπίζουν να τα ανιχνεύσουν εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι τα φωτόνια πρέπει κάποιες φορές να είναι σε θέση να μετατραπούν σε αξιόνια παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου, αλλά και αντίστροφα. Το Μάρτιο του 2006, οι ερευνητές στο πείραμα PVLAS στην Ιταλία θεώρησαν ότι είδαν αυτή τη διαδικασία της μετατροπής - και ως εκ τούτου είδαν και αξιόνια - για πρώτη φορά όταν αυτοί βρήκαν μια μικρή αλλαγή στην πόλωση μιας ακτίνας λέιζερ καθώς αυτή πέρασε μέσω ενός μαγνητικού πεδίου στο κενό.

Ο Malcolm Fairbairn του CERN και συνάδελφοι του από τη Γερμανία και τη Ρωσία υποστηρίζουν ότι η έκλειψη ενός κβάζαρ που συμβαίνει κάθε Οκτώβριο μπορεί να μας δώσει την ευκαιρία να ψάξουμε για τα αξιόνια, τα υποθετικά υπερβολικά ελαφριά σωματίδια.

Εάν αυτή η άποψη για τα αξιόνια είναι αληθινή, τότε το γεγονός αυτό θα υπονοούσε ότι τα αξιόνια έχουν μια πάρα πολύ ισχυρή σύζευξη με το φως, και έτσι είναι κατάλληλα για συστατικό της σκοτεινής ύλης.

Επιπλέον, ένα πείραμα στο CERN, το λεγόμενο CAST, που ελπίζει να μετατρέψει τα ηλιακά φωτόνια σε αξιόνια μέσα σε έναν πειραματικό μαγνήτη μήκους 10 μέτρων, δεν έχει βρει κανένα στοιχείο για την ύπαρξη των αξιονίων όπως υπονοήθηκε στο πείραμα PVLAS.

Λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα αντιφατικά αποτελέσματα, άλλα πειράματα - ειδικότερα η αναζήτηση σωματιδίων σαν τα αξιόνια (ALPS) στο εργαστήριο DESY στο Αμβούργο - προσπαθούν να απορρίψουν το αποτέλεσμα PVLAS. Αυτοί στο πείραμα τους χρησιμοποιούν φως σε έναν αδιαφανή τοίχο, και ελέγχουν αν μπορούν να μετατραπεί σε αξιόνια από ένα μαγνητικό πεδίο.

Σύμφωνα με το Malcolm Fairbairn του CERN και των συναδέλφων του από τη Γερμανία και τη Ρωσία, πάντως, παρουσιάζεται μια απλούστερη εκδοχή αυτού του πειράματος - να λάμψει φως δηλαδή μέσα σε ένα τοίχο - κάθε Οκτώβριο όταν ευθυγραμμίζεται ο ήλιος μεταξύ της γης και του απόμακρου κβάζαρ 3C 279. Σε αυτήν την ευθυγράμμιση, ο ήλιος θα ενεργούσε ως τοίχος, και η πηγή του φωτός θα ήταν το κβάζαρ. Εάν υπάρχουν τα αξιόνια με τη δύναμη σύζευξης όπως υπονοείται από το πείραμα PVLAS, τότε ένας μικρός αριθμός (2%) των φωτονίων των ακτίνων γάμμα του κβάζαρ που προσκρούουν στην επιφάνεια του ήλιου θα αλληλεπιδρούσε με το μαγνητικό πεδίο του και θα μετατρεπόταν σε αξιόνια, τα οποία θα ταξίδευαν έπειτα μέσα στον ήλιο ανεμπόδιστου. Έτσι και αυτά τα αξιόνια έφθαναν στην άλλη πλευρά του ήλιου, τότε τα αξιόνια θα μετατρέπονταν πάλι πίσω σε φωτόνια από το μαγνητικό πεδίο. Το σχέδιο του Fairbairn είναι να ψάξουμε γι αυτά τα φωτόνια, με τη βοήθεια διαστημικών τηλεσκοπίων που ανιχνεύουν ακτίνες γάμμα κατά τη διάρκεια των ευθυγραμμίσεων του Οκτωβρίου. Εάν δεν ανιχνευθεί καμία ακτίνα γάμμα, τότε θα ήταν λάθος η ερμηνεία των αποτελεσμάτων του πειράματος PVLAS (ότι υπάρχουν τα ξιόνια) .

Ο Fairbairn ήδη έχει ελέγξει τις υπάρχουσες παρατηρήσεις του κβάζαρ 3C 279 από το πείραμα EGRET που έγινε το 1991 για να ψάξει για σημάδια των ακτίνων γάμμα του κβάζαρ, αλλά διαπίστωσε ότι τα στοιχεία δεν ήταν τόσο λεπτομερή που να είναι σε θέση να μας πουν είτε ότι υπάρχουν είτε όχι. Εντούτοις, ο ίδιος σκέφτεται ότι το πείραμα GLAST, που οφείλεται να προωθηθεί το Δεκέμβριο του 2007, θα είναι αρκετά ευαίσθητο για να συναγάγει ένα σταθερό συμπέρασμα. Όμως, μπορεί να είναι πάρα πολύ αργά εάν το πείραμα ALPS, που σχεδιάζεται να ξεκινήσει αυτό το καλοκαίρι, μας δώσει πρώτο ένα μηδενικό εκ νέου αποτέλεσμα για την ύπαρξη των αξιονίων.