Επιστρέφουν τα αξιόνια

Πηγή: PhysicsWorld, 2 Φεβρουαρίου 2009

Για μια φορά ακόμη ερευνητές ισχυρίζονται ότι οι αποδείξεις για την ύπαρξη των αξιονίων, τα υποθετικά σωματίδια της σκοτεινής ύλης για ορισμένους φυσικούς, υπάρχουν στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας ταξιδεύουν ανεμπόδιστα μέσω του Σύμπαντος.

Αυτά τα φωτόνια όπως και άλλες ουδέτερες κοσμικές ακτίνες (εκτός από τα νετρίνα) κανονικά δεν θα πρέπει να είναι σε θέση να ταξιδεύουν σε διαγαλαξιακές αποστάσεις, επειδή απορροφούνται από την αδιαφανή μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου του σύμπαντος - γι αυτό και εξακολουθούν να μην ανιχνεύονται στη Γη.

Τελευταία, μια ομάδα με επικεφαλής τον Malcolm Fairbairn του Βασιλικού Κολεγίου του Λονδίνου έχει βρει μια συσχέτιση μεταξύ της θέσης από όπου προέρχονται οι κοσμικές ακτίνες και εκεί όπου τα αξιόνια με τα φωτόνια είναι πιθανό να "αναμιγνύονται". Το αποτέλεσμα αυτό σημαίνει ότι τα φωτόνια των κοσμικών ακτίνων θα μπορούν να φθάσουν στη Γη από μακρινούς γαλαξίες αν μετατρέπονται προσωρινά σε αξιόνια, τα οποία μπορούν να παρακάμψουν το υπόβαθρο των μικροκυμάτων χωρίς να απορροφηθούν όπως τα φωτόνια.

"Εάν η υπόθεση αυτή μπορεί να επιβεβαιωθεί, θα ήταν μια εξαιρετικά σημαντική ανακάλυψη", λέει ο Dan Hooper, του Fermilab που πραγματοποίησε μια παρόμοια μελέτη την περασμένη χρονιά

Παλιό πρόβλημα

Τα αξιόνια προτάθηκαν για πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του '70 για να λύσουν ένα πρόβλημα στην φυσική σωματιδίων, γνωστό ως πρόβλημα ισχυρής CP της χρωμοδυναμικής. Η θεωρία πρότεινε ότι τα στοιχειώδη αυτά σωματίδια θα είναι πολύ ελαφρύ και θα αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη - τόσο λίγο, που γι αυτό κανείς δεν έχει ακόμη καταφέρει να τα εντοπίσει.

Η ομάδα του Fairbairn - που περιλαμβάνει τον Timur Rashba του Ινστιτούτου Max-Planck και τον Sergey Troitsky της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών - έχει ψάξει για ένα ισοδύναμο αστροφυσικό φαινόμενο σε εργαστηριακό πείραμα με αξιόνια. Σε αυτά τα πειράματα όπου "φως διαπερνά ένα τοίχο", ένα λέιζερ εκπέμπει ακτινοβολία πάνω σε ένα τοίχο, με την παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου. Αν κάποια από τα φωτόνια του λέιζερ μετατραπούν σε αξιόνια, τότε μπορούν να ταξιδεύσουν ελεύθερα μέσα από το τείχος, για να γίνουν στη συνέχεια πάλι φωτόνια και να ανιχνευθούν από την άλλη πλευρά.

Η ελπίδα του Fairbairn και των συναδέλφων του είναι ότι, σε μια κοσμική κλίμακα, το "τείχος" θα μπορούσε να παρέχεται από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, και το μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να παρέχεται από τους γαλαξίες.

Για να δούμε αν πράγματι αυτό το φως διαπερνά το κοσμικό υπόβαθρο μέσα στο σύμπαν, η ομάδα του Fairbairn πραγματοποίησε μια στατιστική ανάλυση των ουδέτερων κοσμικών ακτίνων με ενέργειες πάνω από 10¹⁸ eV που έχουν καταγραφεί από ένα ανιχνευτή υψηλής ανάλυσης στην Γιούτα. Προηγούμενες μελέτες έχουν ήδη επισημάνει μία συσχέτιση μεταξύ των τοποθεσιών άφιξης των κοσμικών ακτίνων και των γνωστών θέσεων των εξαιρετικά λαμπρών ενεργών πυρήνων των μακρινών γαλαξιών. Όμως η ομάδα του Fairbairn έχει δείξει ότι υπάρχει μια πρόσθετη αντιστοιχία με το μαγνητικό πεδίο του δικού μας Γαλαξία, που καθορίζει την πιθανότητα των φωτονίων να μετατρέπονται σε αξιόνια. Οι ερευνητές λένε ότι η πιθανότητα ο συσχετισμός αυτός να συμβαίνει κατά σύμπτωση είναι μόλις 2,4% .

Η απόδειξη είναι ακόμα πολύ μακρινή

Ο Fairbairn λέει ότι το αποτέλεσμα αυτό είναι σίγουρα ένα νέο στοιχείο υπέρ της ύπαρξης του αξιονίου, αλλά προειδοποιεί ότι πρέπει να επιβεβαιωθεί από περισσότερα δεδομένα. "Είμαστε ακόμη πολύ μακριά από την απόδειξη", προσθέτει. "Πολύ, πάρα πολύ."

Εάν όντως υπάρχει το αξιόνιο, θα ήταν ιδιαίτερα ελαφρύ (λιγότερο από 10^-7 eV) και θα έχει ιδιαίτερα ασθενική ζεύξη με τα φωτόνια (σύζευξη αντίστροφη των 10¹⁰ GeV). Η τελευταία αυτή ιδιότητα το αποκλείει ως λύση για το επί δεκαετίες παλιό πρόβλημα της ισχυρής CP κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Ωστόσο, υπάρχει ακόμη ένα ερώτημα ως προς το αν θα μπορούσε να πληροί τον άλλο πιθανό ρόλο των αξιονίων - ότι αποτελούν την ψυχρή σκοτεινή ύλη που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της βαρύτητας του σύμπαντος.

Οι θεωρητικοί αναμένουν πως τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης πρέπει να είναι βαρύτερο από 10^-7 eV, επειδή αυτό σημαίνει ότι μπορεί να έχουν δημιουργηθεί αμέσως μετά το Big Bang και κατόπιν να έχουν απλωθεί στον χώρο με χαμηλή πυκνότητα, όπως βλέπουμε από την πειραματική κοσμολογία. Βέβαια ο Aaron Chou, ένας εκπρόσωπος για το πείραμα αξιονίων GammeV στο Fermilab, δείχνει ότι θα μπορούσαμε απλώς να ζούμε σε μια περιοχή του σύμπαντος όπου η σκοτεινή ύλη συμβαίνει να είναι λιγότερη πυκνή. "Με άλλα λόγια," εξηγεί, "το μοντέλο αυτό θα μπορούσε επίσης να παράγει σκοτεινή ύλη από αξιόνια, αλλά απλώς όχι με γενικό τρόπο."

Παρόλα αυτά, ο Fairbairn παραδέχεται ότι δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε πόσα από τις ουδέτερες κοσμικές ακτίνες που εντοπίστηκαν από τον ανιχνευτή HiRes είναι πραγματικά φωτόνια. Επιπλέον, υπάρχουν αμφιβολίες για την αποτελεσματικότητα του μηχανισμού μετατροπής των φωτονίων σε άξιον σε τόσο υψηλές ενέργειες.

Προηγούμενη λάθη

Δεν θα είναι η πρώτη φορά που τα αξιόνια μας βάζουν σε πειρασμό για να πιστέψουμε την ύπαρξή τους. Το 2006 υπήρχε ελπίδα για την πειραματική απόδειξη τους σε ένα ιταλικό πείραμα, το PVLAS, που κατέγραψε μια μικρή αλλαγή στην πόλωση της δέσμης λέιζερ, καθώς πέρασε μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο στο κενό. Οι ερευνητές στο πείραμα PVLAS θεωρούν ότι οι μεταβολές θα μπορούσαν να έχουν προέλθει από κάποια από τα φωτόνια της δέσμης του λέιζερ σε συνδυασμό με φωτόνια στο κενό για να παράγουν αξιόνια. Ωστόσο, αργότερα, βρέθηκε ότι το σήμα δεν ήταν αληθινό.

Η μόνη δυνατότητα δράσης για την ομάδα του Fairbairn πλέον είναι να περιμένουν περισσότερα δεδομένα από άλλες αναζητήσεις κοσμικών ακτίνων, όπως το Παρατηρητήριο Pierre Auger στην Αργεντινή. Εν τω μεταξύ, ακόμα ελπίζουν ότι ένα εργαστηριακό πείραμα θα έδινε στοιχεία για το ίδιο είδος άξιον.

Τέλος, ο Κωνσταντίνος Ζιούτας του CERN που είναι εκπρόσωπος στο πείραμα CAST, το μόνο υφιστάμενο πείραμα αξιονίων που έχει την ικανή ευαισθησία να ψάξει για τα άξιον του Fairbairn. λέει ότι για να αρχίσει την αναζήτηση το πείραμα CAST θα χρειαστεί μια αναβάθμιση, η οποία θα είναι "προ των θυρών" σε λίγα χρόνια. "Αν αυτή η ιδέα σίγουρα επιβεβαιωθεί, θα είναι μια σημαντική ανακάλυψη για την κοσμολογία και την φυσική σωματιδίων", συμπληρώνει.