Диссертация (1150860), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Îäíàêî, äàííîå óñëîâèå íå ÿâëÿåòñÿ îáÿçàòåëüíûì. Åñëè fa ≫ vF , òîãäààêñèîí áóäåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé î÷åíü ëåãêóþ, ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþùóþ èäîëãî æèâóùóþ ÷àñòèöó. Ìîäåëè, â êîòîðûõ àêñèîí ïðîÿâëÿåò ïîäîáíûå ñâîéñòâà ïðèíÿòî íàçûâàòü ìîäåëÿìè ñ íåâèäèìûìè àêñèîíàìè.Âî âñåõ àêñèîííûõ ìîäåëÿõ ïðèñóòñòâóåò ÷ëåí, îòâå÷àþùèé çà âçàèìîäåéñòâèå ñ äâóìÿ ôîòîíàìè.  ëàãðàíæèàíå ýòîò ÷ëåí âûãëÿäèò êàê,Laγγ =αaphys µνF F̃µν .Kaγγ4πfa(1.29)Êîýôôèöèåíò Kaγγ , îòâå÷àþùèé çà âçàèìîäåéñòâèå, ìîæåò áûòü íàéäåí èçýëåêòðîìàãíèòíîé àíîìàëèè òîêà Ïå÷÷åé-Êâèíí,∂µ JPµ Q =αξγ F µν F̃µν .4π(1.30)Ïåðâîíà÷àëüíàÿ ìîäåëü Ïå÷÷åé-Êâèíí ñ fa = vF äîñòàòî÷íî äàâíî îïðîâåðãíóòà ýêñïåðèìåíòàëüíî.
Íàïðèìåð, ìîæíî ðàññìîòðåòü âåðîÿòíîñòü êàíàëàðàñïàäà K + → π + + a [52]BR(K + → π + + a) ≃ 3 × 10−5 λ20 = 3 × 10−5 (x + 1/x)2 ,(1.31)êîòîðûé, îäíàêî, çíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäèò ïîëó÷åííîå íà ýêñïåðèìåíòå KEKçíà÷åíèå BR(K + → π + + íè÷åãî) < 3.8 × 10−8 [53]. Ïðè ýòîì, ìîäåëè ñ íåâèäèìûìè àêñèîíàìè, â êîòîðûõ fa ≫ vF , íå îïðîâåðãíóòû ýêñïåðèìåíòîì. ìîäåëÿõ ñ íåâèäèìûì àêñèîíîì ââîäÿòñÿ ñêàëÿðíûå ïîëÿ, íåñóùèå çàðÿäÏå÷÷åé-Êâèíí è ÿâëÿþùèåñÿ SU (2) × U (1) ñèíãëåòàìè. Êàê ñëåäñòâèå, âàêóóìíîå ñðåäíåå ýòèõ ïîëåé ìîæåò áûòü çíà÷èòåëüíî âûøå ýëåêòðîñëàáîé øêàëû.17Òàêèå ìîäåëè ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâà òèïà.  ïåðâîé, òàê íàçûâàåìîé, KSVZìîäåëè (Êèì [54], Øèôìàí, Âàéíøòåéí, Çàõàðîâ [55]) ââîäÿòñÿ ñêàëÿðíîå ïîëåσ ñ fa = ⟨σ⟩ ≫ vF è î÷åíü òÿæåëûé êâàðê Q ñ MQ ∼ fa êàê åäèíñòâåííûåïåðåíîñ÷èêè çàðÿäà Ïå÷÷åé-Êâèíí.
Âî âòîðîé DFSZ ìîäåëè (Äàéí, Ôèøëåð,Ñðåäíèöñêèé [56], Æèòíèöêèé [57]) äîáàâëÿåòñÿ ñêàëÿðíîå ïîëå ϕ, íåñóùåå çàðÿä Ïå÷÷åé-Êâèíí è óäîâëåòâîðÿþùåå fa = ⟨ϕ⟩ ≫ vF .1.1.1. Ýêñïåðèìåíòû ïî îáíàðóæåíèþ àêñèîíîâÍåñìîòðÿ íà òî, ÷òî â KSVZ è DFSZ ìîäåëÿõ àêñèîíû ïðåäñòàâëÿþòñÿî÷åíü ëåãêèìè, ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþùèìè è äîëãîæèâóùèìè ÷àñòèöàìè, îíèâñå æå íå ÿâëÿþòñÿ àáñîëþòíî íåâèäèìûìè. Åñòü íåêîòîðûå ïðîöåññû, â êîòîðûõ ïîäîáíûå ÷àñòèöû ìîãóò áûòü îáíàðóæåíû.  ÷àñòíîñòè, ýôôåêòû Êîìïòîíà (γe → ae) è Ïðèìàêîâà, ñâÿçàííûå ñ àêñèîíàìè, ìîãóò èãðàòü ðîëü â ýâîëþöèè çâåçä [58]. Ïîòåðÿ ýíåðãèè çâåçäû, ñâÿçàííàÿ ñ àêñèîííûìè ýôôåêòàìèîáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà fa2 è, ñëåäîâàòåëüíî, ïðîïîðöèîíàëüíà m2a .
Ñîîòâåòñòâåííî, àêñèîíû äîëæíû áûòü äîñòàòî÷íî ëåãêèìè, ÷òîáû íå âíîñèòü çàìåòíûé âêëàä â çâåçäíóþ ýâîëþöèþ. Îãðàíè÷åíèÿ, íàêëàäûâàåìûå íà àêñèîííûåïàðàìåòðû [58],fa & 107 GeV ;ma . 0.1eV.(1.32)Òî÷íûå ãðàíèöû çàâèñÿò îò ðàññìàòðèâàåìîé ìîäåëè. Ñëåäóåò, îäíàêî, îòìåòèòü, ÷òî â íåêîòîðûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ âñå æå áûëà îáíàðóæåíàïîòåðÿ ýíåðãèè, ïîäðîáíûé àíàëèç ýòèõ äàííûõ âìåñòå ñ îöåíêîé àêñèîííûõïàðàìåòðîâ ìîæíî íàéòè â ðàáîòå [59].Ñ äðóãîé ñòîðîíû, êîñìîëîãèÿ äàåò íàì íèæíþþ ãðàíèöó àêñèîííîé ìàññû(ñîîòâåòñòâåííî, âåðõíþþ ãðàíèöó fa ) [60].
Ïðè ïðîõîæäåíèè Âñåëåííîé ÷åðåçôàçó íàðóøåíèÿ Ïå÷÷åé-Êâèíí ñèììåòðèè ïðè òåìïåðàòóðå T ∼ fa ≫ ΛQCD ,àíîìàëèÿ ÊÕÄ íå âíîñèò âêëàäà. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî â ðàííåé Âñåëåííîé ⟨aphys ⟩ïðîèçâîëüíî. Çàòåì, êîãäà âñåëåííàÿ îñòûâàåò äî T ∼ ΛQCD , ó àêñèîíà ïîÿâ18ëÿåòñÿ ìàññà è ⟨aphys ⟩ → 0. Ìåõàíèçì Ïå÷÷åé-Êâèíí, ïîñðåäñòâîì êîòîðîãîïðîèñõîäèò äàííûé ïðîöåññ, íå ÿâëÿåòñÿ ìãíîâåííûì , è ⟨aphys ⟩ êîëåáëåòñÿ ïåðåä äîñòèæåíèåì êîíå÷íîãî çíà÷åíèÿ.
Ýòè êîãåðåíòíûå îñöèëëÿöèè àêñèîííîãî ïîëÿ äàþò âêëàä â ïëîòíîñòü ýíåðãèè Âñåëåííîé, è àêñèîíû äåéñòâóþò êàêõîëîäíàÿ òåìíàÿ ìàòåðèÿ. Îáñóæäàåìàÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè ïðîïîðöèîíàëüíàfa è, ñëåäîâàòåëüíî, îíà îãðàíè÷åíà ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè òåìíîé ìàòåðèè âîÂñåëåííîé. Òàêèì îáðàçîì, ìû ïîëó÷àåì âåðõíþþ ãðàíèöó äëÿ çíà÷åíèÿ fa èíèæíþþ äëÿ ìàññû àêñèîíà. Íàïðèìåð, â ðàáîòå [61] áûë âû÷èñëåí âîçìîæíûéâêëàä àêñèîíîâ â ïëîòíîñòü ýíåðãèè Âñåëåííîé,Ωa h2 = 0.5(7fa6 [θ 2 + σ 2 ]γ,)iθ1012 GeV(1.33)ãäå θi âåëè÷èíà îòêëîíåíèÿ ⟨aphys ⟩/fa , σθ äèñïåðñèÿ, à γ âîçìîæíûéêîýôôèöèåíò ðàçìûòèÿ ïëîòíîñòè ýíåðãèè, âîçíèêàþùåé èç àêñèîííûõ îñöèëëÿöèé.Âîñïîëüçóåìñÿ äàííûìè êîñìè÷åñêîé îáñåðâàòîðèè Planck [62] êàñàòåëüíîïëîòíîñòè ýíåðãèè õîëîäíîé òåìíîé ìàòåðèè.
Òîãäà óñëîâèå, íàêëàäûâàåìîå íààêñèîíû,Ωa h2 < 0.12.(1.34)Ïðåäïîëîæèì, ÷òî êîýôôèöèåíòà ðàçìûòèÿ íåò (γ = 1), òàêæå ïðèìåì çà θiñðåäíèé óãîë îòêëîíåíèÿ (θi2 = π 2 /3) è ïðåíåáðåæåì åãî ôëóêòóàöèÿìè. Òîãäàäàííûå ýêñïåðèìåíòà Planck ïðèâîäÿò íàñ ê ñëåäóþùèì ðåçóëüòàòàì,fa < 3 · 1011 GeV ;ma > 2 · 10−5 eV.(1.35)Îáñóæäàåìûå âûøå ìåòîäû îöåíêè àêñèîííûõ ïàðàìåòðîâ íå ïðåäïîëàãàþò íàáëþäåíèÿ ïðÿìûõ ýôôåêòîâ, ñâÿçàííûõ ñ àêñèîíàìè. Îäíàêî, åñòü ðÿäýêñïåðèìåíòîâ, äàþùèõ âîçìîæíîñòü çàôèêñèðîâàòü àêñèîí íà Çåìëå. Âçàèìîäåéñòâèå àêñèîíà ñ äâóìÿ ôîòîíàìè ÿâëÿåòñÿ ïðè ýòîì êëþ÷åâûì, îíî ìîæåòáûòü çàïèñàíî êàê Laγγ = −gE·Ba.
Ôîòîí ñ ïîëÿðèçàöèåé, ïàðàëëåëüíîé âíåøíåìó ìàãíèòíîìó ïîëþ, ìîæåò ïåðåéòè â àêñèîí è íàîáîðîò, â òî âðåìÿ êàê ñ19ôîòîíàìè ñ ïîëÿðèçàöèåé, ïîïåðå÷íîé ê âíåøíåìó ìàãíèòíîìó ïîëþ, íè÷åãîíå ïðîèçîéäåò. Ýòîò ïðîöåññ ëåæèò â îñíîâå áîëüøèíñòâà ýêñïåðèìåíòîâ ïîîáíàðóæåíèþ àêñèîíîâ. ÷àñòíîñòè, ê îòäåëüíîé ãðóïïå ýêñïåðèìåíòîâ ìîæíî îòíåñòè ýêñïåðèìåíòû, ñâÿçàííûå ñ Ñîëíöåì.  õîäå äàííûõ ýêñïåðèìåíòîâ ïðåäïðèíèìàåòñÿïîïûòêà îáíàðóæèòü àêñèîíû, îáðàçîâàâøèåñÿ â öåíòðå çâåçäû.
Ïîñëå îáðàçîâàíèÿ àêñèîíû áåñïðåïÿòñòâåííî ìîãóò âûéòè èç Ñîëíöà è äîéòè äî Çåìëè.Îñíîâíàÿ ñëîæíîñòü îáíàðóæåíèÿ àêñèîíîâ è îñíîâíàÿ çàäà÷à àêñèîííûõ ãåëèîñêîïîâ çàêëþ÷àåòñÿ â ïðåîáðàçîâàíèè ïðèõîäÿùèõ ÷àñòèö â ôîòîíû ïóòåìâîçäåéñòâèÿ ñèëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Âåðîÿòíîñòü ïåðåõîäà â ôîòîí [63],Pa→γ = 2(gB 2 1 − cos(qL) 2)L,2(qL)2(1.36)ãäå L äëèíà ïóòè àêñèîíà, ñîäåðæàùàÿ ìàãíèòíîå ïîëå, q ïåðåäàâàåìûéâ ïðîöåññå èìïóëüñ. Äëÿ âàêóóìà q =m2a2Eγ .Âåðîÿòíîñòü ïåðåõîäà ìàêñèìàëüíà ïðè ìàëûõ çíà÷åíèÿõ qL.
Ïîñðåäñòâîì çàïîëíåíèÿ îáëàñòè ñ ìàãíèòíûìïîëåì ãàçîì, ïîëó÷àåòñÿ äàòü ôîòîíó ýôôåêòèâíóþ ìàññó mγ .  ýòîì ñëó÷àåq=m2a −m2γ2Eγ .Çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ äàâëåíèÿ â ãàçå ýôôåêòèâíàÿ ìàññà ôîòîíà ìîæåò ìåíÿòüñÿ, äàâàÿ âîçìîæíîñòü áîëåå òî÷íî îïðåäåëèòü âîçìîæíûå ãðàíèöûìàññû àêñèîíà. íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàáîòàåò àêñèîííûé ãåëèîñêîï CAST (CERN AxionSolar Telescope)[64], è âåäåòñÿ ðàçðàáîòêà íîâîãî ýêñïåðèìåíòà IAXO (InternationalAxion Observatory) [65], îñíîâíàÿ öåëü êîòîðîãî áóäåò òàêæå çàêëþ÷àòüñÿ âîáíàðóæåíèè ñîëíå÷íûõ àêñèîíîâ.
Òàêæå ïðåäñòàâëÿåò îïðåäåëåííûé èíòåðåñâûøåäøàÿ â 2014 ãîäó ñòàòüÿ, ïîñâÿùåííàÿ îáðàáîòêå äàííûõ îáñåðâàòîðèèXMM-Newton [66].  ðàáîòå îáñóæäàåòñÿ ñåçîííîå èçìåíåíèå ðåíòãåíîâñêîãîñïåêòðà, è ïðèâîäèòñÿ âîçìîæíîå îáúÿñíåíèå äàííîãî ÿâëåíèÿ, çàêëþ÷àþùååñÿâ ïåðåõîäå àêñèîíîâ èäóùèõ îò Ñîëíöà â ôîòîíû ïîä âîçäåéñòâèåì ìàãíèòíîãîïîëÿ Çåìëè.Ïî òàêîìó æå ïðèíöèïó, ÷òî è ãåëèîñêîïû ðàáîòàåò ýêñïåðèìåíò ADMX20(Axion Dark Matter Experiment) [67]. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî àêñèîíû îáðàçóþò÷àñòü òåìíîé ìàòåðèè è ðàñïîëîæåíû â ãàëî Ãàëàêòèêè. Èñïîëüçóåòñÿ ðåçîíàíñíàÿ ïîëîñòü, íàñòðàèâàåìàÿ íà ïðåäïîëàãàåìóþ ìàññó àêñèîíà, â êîòîðîéäåéñòâóåò ñèëüíîå ìàãíèòíîå ïîëå, ñïîñîáíîå ïðåîáðàçîâàòü àêñèîí â ôîòîí.Åùå îäíà ãðóïïà ýêñïåðèìåíòîâ íå ñâÿçàíà ñ îáðàçîâàíèåì àêñèîíîâ â åñòåñòâåííûõ óñëîâèÿõ. Ïðåäïðèíèìàåòñÿ ïîïûòêà ñîçäàòü àêñèîí â ëàáîðàòîðèèñ ïîìîùüþ ëàçåðíîãî ïó÷êà â ìàãíèòíîì ïîëå.
Ïðè ýòîì ëàçåð íàïðàâëÿåòñÿíà ïîãëîùàþùèé ìàòåðèàë, ÷åðåç êîòîðûé íå ìîãóò ïðîéòè ôîòîíû. Îäíàêî,÷àñòü ôîòîíîâ ïðåîáðàçóåòñÿ â àêñèîíû. Ïîñëå ïîãëîùàþùåé ñòåíêè ïðîøåäøèå àêñèîíû èñïûòûâàþò ìàãíèòíîå ïîëå, âîçâðàùàþùåå èõ â ñîñòîÿíèå ôîòîíîâ, íàáëþäåíèþ êîòîðûõ è ïîñâÿùåí ýêñïåðèìåíò. Ê ïîäîáíûì ýêñïåðèìåíòàì îòíîñÿòñÿ OSQAR (Optical Search for QED Vacuum Birefringence, Axions andPhoton Regeneration)[68] è ALPS(Any Light Particle Search)[69].Äðóãîé ñïîñîá ðåãèñòðàöèè àêñèîíîâ îïèðàåòñÿ íà ýôôåêò äâóëó÷åïðåëîìëåíèÿ. Âûøå óæå áûëî ñêàçàíî î òîì, ÷òî òîëüêî ôîòîíû ñ ïàðàëëåëüíîé êâíåøíåìó ìàãíèòíîìó ïîëþ ïîëÿðèçàöèåé ìîãóò ïåðåéòè â àêñèîíû, à çàòåìîáðàòíî â ôîòîíû. Ïîñêîëüêó àêñèîíû îáëàäàþò ìàññîé, îíè ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ ìåäëåííåå ñêîðîñòè ñâåòà. Çà ñ÷åò ýòîãî, ó êîìïîíåíòû ñâåòîâîãî ïó÷êà ñïîëÿðèçàöåèé ïàðàëëåëüíîé ìàãíèòíîìó ïîëþ êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ ñòàíîâèòñÿ áîëüøå åäèíèöû, â òî âðåìÿ êàê ó âòîðîé êîìïîíåíòû êîýôôèöèåíòïðåëîìëåíèÿ îñòàåòñÿ ïðåæíèì.
 ðåçóëüòàòå èçíà÷àëüíî ëèíåéíî ïîëÿðèçîâàííûé ñâåò ïðèîáðåòàåò ýëëèïòè÷åñêóþ ïîëÿðèçàöèþ. Îñíîâàííûé íà ýòîìýôôåêòå ýêñïåðèìåíò PVLAS (Polarizzazione del Vuoto con LASer experiment) â2006 ãîäó äàë ïîëîæèòåëüíûé ðåçóëüòàò, îäíàêî ïîçæå ðåçóëüòàòû áûëè îáúÿñíåíû íåó÷òåííûìè ðàíåå ýôôåêòàìè [70].Ó÷èòûâàÿ êîëè÷åñòâî ðàáîòàþùèõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óñòàíîâîê è çàïëàíèðîâàííûõ ýêñïåðèìåíòîâ, íàïðàâëåííûõ íà ïîèñê àêñèîíîâ è àêñèîíî-ïîäîáíûõ ÷àñòèö, ìîæíî åùå ðàç óáåäèòüñÿ â âàæíîñòè èçó÷åíèÿ è ðàçâèòèÿ àêñèîííûõ ìîäåëåé â ñîâðåìåííîé ôèçèêå.211.2. Òîïîëîãè÷åñêèå ôëóêòóàöèè êàê ïðè÷èíà íàðóøåíèÿ÷åòíîñòè ïðåäûäóùåì ðàçäåëå ìû îáñóäèëè ôèçèêó àêñèîíîâ è ïîêàçàëè, íàñêîëüêî âàæíóþ ðîëü â åå èçó÷åíèè èãðàåò ôîòîí-àêñèîííîå âçàèìîäåéñòâèå.  äàííîì ðàçäåëå ðå÷ü ïîéäåò î âîçíèêíîâåíèè ïîõîæåãî âçàèìîäåéñòâèÿ â ôèçèêåòÿæåëûõ èîíîâ.Îäíà èç õàðàêòåðíûõ ÷åðò êàëèáðîâî÷íûõ òåîðèé ñóùåñòâîâàíèå òîïîëîãè÷åñêèõ íåòðèâèàëüíûõ êîíôèãóðàöèé êàëèáðîâî÷íûõ ïîëåé, òàê íàçûâàåìûõ, èíñòàíòîíîâ [71].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
