Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 25 (vyšlo 29. června), ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

25/2007

Honba za axiony

Petr Kulhánek

AxionyAxion – hypotetická částice temné hmoty, málo hmotný, slabě interagující boson se spinem 0 postulovaný kvantovou chromodynamikou. Souvisí s nepozorováním narušení CP symetrie v silné interakci. Je jedním z kandidátů na temnou hmotu. Měl by vznikat v období krátce po Velkém třesku. jsou částice, jejichž existenci teoretici předpokládají již od 70. let 20. století. Narušení levopravé symetrieP invariance – symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. Z této symetrie plyne existence zachovávající se veličiny, kterou nazýváme parita (odsud písmenko P, paritní symetrie). Pokud by symetrie platila, parita by se zachovávala. Narušení levopravé symetrie prokázala čínská fyzička C. S. Wu z Kolumbijské univerzity v roce 1957 v experimentu s rozpadem kobaltu 60. bylo pro slabou interakciSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10^–18 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W⁺, W⁻ a Z⁰ se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). prokázáno v roce 1957 a narušení CP symetrieCP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. v roce 1964. Dodnes však nebylo žádné takové narušení symetrie nalezeno pro silnou interakciSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).. To by mělo být důsledkem existence další symetrie (Peccei-Quinnovy) a částic, které ji narušují (axionů). Axiony by měly být velmi lehké částice interagující s látkou jen slabou a gravitační interakcí. Jde o jednoho z vážných kandidátů na temnou hmotuTemná hmota – hmota ve Vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Tvoří několikanásobek hmotnosti baryonové látky galaxií a 27 % hmoty a energie ve Vesmíru. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky.. Z experimentálního hlediska je klíčová předpověď vzájemné konverze axionůAxion – hypotetická částice temné hmoty, málo hmotný, slabě interagující boson se spinem 0 postulovaný kvantovou chromodynamikou. Souvisí s nepozorováním narušení CP symetrie v silné interakci. Je jedním z kandidátů na temnou hmotu. Měl by vznikat v období krátce po Velkém třesku. a fotonůFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. v silném magnetickém poli, která může probíhat oběma směry, tj. v silném poli se mohou axiony měnit na krátkovlnné fotony a naopak fotony na axiony. Na této konverzi jsou založeny veškeré současné pokusy o detekci axionů. O některých z nich jsme informovali v AB 22/2006. Námětem dnešního bulletinu je současný stav honby za axiony a návrhy dalších způsobů jejich detekce.

První axiony?

Veliký zlom v názorech na axiony nastal v březnu 2006. Italská skupina vědců detekovala v dnes již proslulém experimentu PVLASPVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10⁻¹² rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení je pravděpodobně způsobeno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům. změnu polarizace světla procházejícího silným magnetickým polem. Rovinná polarizace se změnila na eliptickou a polarizační rovina se stočila o malý, ale měřitelný úhel. Jedno z možných vysvětlení je, že světlo částečně konvertovalo na axiony a tím došlo ke změně roviny polarizace. Pokud je tato interpretace experimentu správná, šlo by o první nepřímou detekci axionů. Experiment PVLAS odstartoval přípravu řady dalších experimentů, které by měly existenci axionů buď definitivně potvrdit, a nebo vyvrátit. V experimentu PVLAS byla změřena i vazebná konstanta konverze axionů a fotonů.

Italský experiment PVLAS. Zdroj: PVLAS

Některé axiony by měly vznikat i ze slunečních fotonů přímo uvnitř Slunce. Tyto axiony se pokouší hledat experiment CASTCAST – CERN Axion Solar Telescope, experiment hledající částice temné hmoty (axiony) v evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Jde vlastně o dalekohled určený pro pozorování axionů vznikajících v nitru Slunce. Silný magnet o indukci 9 T a délce 10 m by měl některé sluneční axiony konvertovat zpět na RTG fotony, které je možné zachytit detektory. Dalekohled funguje od roku 2003 s nulovým výsledkem. v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvarkového-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. S úplným provozem se počítá v roce 2012., bohužel zatím neúspěšně. Jde o „dalekohled“, jehož hlavním prvkem je magnet, který by měl sluneční axiony konvertovat zpět na fotony. Pokud byla interpretace stočení roviny světla v experimentu PVLAS správná a stočení způsobily axiony, měl by experiment CASTCAST – CERN Axion Solar Telescope, experiment hledající částice temné hmoty (axiony) v evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Jde vlastně o dalekohled určený pro pozorování axionů vznikajících v nitru Slunce. Silný magnet o indukci 9 T a délce 10 m by měl některé sluneční axiony konvertovat zpět na RTG fotony, které je možné zachytit detektory. Dalekohled funguje od roku 2003 s nulovým výsledkem. dát pozitivní výsledky. Nesouhlas obou experimentů znamená buď chybné určení vazebné konstanty v experimentu PVLASPVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10⁻¹² rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení je pravděpodobně způsobeno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům. nebo jeho mylnou interpretaci. Stočení roviny světla mohl způsobit nějaký jiný, neznámý jev.

Situaci by mohl objasnit další připravovaný experiment v německém DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FLASH. u Hamburgu. Zdrojem světla je zde laser na volných elektronech, který se původně jmenoval FEL (Free Electron Laser) a později FLASH (Free electron LASer in Hamburg). Světlo bude vedeno přes šest silných magnetů, kde by malá část měla konvertovat na axiony. V cestě světla bude neprůhledná stěna a za ní další šestice magnetů. Pokud skutečně světlo zkonvertuje na axiony, projdou axiony stěnou a za ní bude v magnetickém poli jejich malá část opět konvertována na světlo. Samo světlo stěnou neprojde a tak by pozitivní detekce světla za stěnou byla nezávislým nepřímým potvrzením existence axionů. Experiment by měl být po mnoha průtazích a přejmenovávání zprovozněn pod názvem ALPSALPS – Axion Like Particle Search), experiment hledající částice temné hmoty (axiony) v německé laboratoři DESY (Hamburg). Fotony emitované z laditelného laseru na volných elektronech by měly být v silném magnetickém poli (6 magnetů, každý s indukcí 2,24 T) konvertovány na axiony, které po průchodu neprůhlednou deskou budou opětovně převedeny na fotony. Měření s negativním výsledkem probíhala od roku 2008. (Axion Like Particle Search) v létě letošního roku.

Jeden z dipólových magnetů, které budou použity v experimentu ALPS.
Realizace experimentu byla definitivně schválena v lednu 2007.

Modifikace experimentu se stěnou, kvazar 3C 279

Zajímavou modifikaci Hamburgského experimentu ALPSALPS – Axion Like Particle Search), experiment hledající částice temné hmoty (axiony) v německé laboratoři DESY (Hamburg). Fotony emitované z laditelného laseru na volných elektronech by měly být v silném magnetickém poli (6 magnetů, každý s indukcí 2,24 T) konvertovány na axiony, které po průchodu neprůhlednou deskou budou opětovně převedeny na fotony. Měření s negativním výsledkem probíhala od roku 2008. navrhli Malcolm Fairbairn z CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvarkového-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. S úplným provozem se počítá v roce 2012., Timur Rashba z MPIMPI – Max Planck Institute, největší vědecký ústav v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech.  a Sergey Troitsky z RASRAS – Royal Astronomical Society, Královská astronomická společnost. Anglická vědecká společnost založená v roce 1820.. Jako neprůhledná stěna by mohlo posloužit celé naše SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.! Zdrojem světla by měl být vzdálený kvazarKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (10³⁵ až 10⁴⁰ W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno rozpínáním vesmíru a jejich spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty. 3C 279. Ten se každý říjen dostává na spojnici kvazar–Slunce–Země a dochází tedy k jeho zákrytu Sluncem. Pokud je vazebná konstanta vzájemné konverze axionů a fotonů naměřená v experimentu PVLASPVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10⁻¹² rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení je pravděpodobně způsobeno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům. správná, měly by přibližně 2 % gama fotonů z kvazaru zkonvertovat v silných magnetických polích na povrchu Slunce na axiony. Tyto axiony bez problémů projdou celým Sluncem a na druhé straně budou silnými magnetickými poli na povrchu konvertovány zpět na světlo v gama oboru. Cílem navrhovaného experimentu je hledat tyto zpětně konvertované gama fotony pomocí gama observatoře GLASTGLAST – Gamma-ray Large Area Space Telescope, kosmický dalekohled pro obor gama, v roce 2008 se stal následovníkem slavné gama observatoře Compton. Projekt USA. Rozsah detekovaného záření: 10÷300 GeV. V srpnu 2008 byla observatoř přejmenována na Fermi (podle významného italského kvantového fyzika). umístěné ve vesmíru. Pokud by tyto gama fotony nebyly při říjnových zákrytech detekovány, znamenalo by to chybnou interpretaci experimentu PVLAS.

Ať dopadnou experimenty jakkoli, je nalezení nebo nenalezení axionů klíčovou záležitostí v pochopení stavby látky a podstaty temné hmotyTemná hmota – hmota ve Vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Tvoří několikanásobek hmotnosti baryonové látky galaxií a 27 % hmoty a energie ve Vesmíru. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. ve vesmíru.

Mimořádně svítivý proměnný kvazar 3C 279. Zdroj: University of Alabama.

Po napsání...

Podle posledních zpráv z konce června 2007 je italský experiment PVLAS reprodukovatelný pouze s magnetickým polem 5,5 T. V roce 2007 došlo k několika vylepšením experimentu a při nižších hodnotách indukce pole (například při experimentech na 2,3 T) k žádnému měřitelnému stočení roviny polarizace světla nedošlo. Hlavní autor experimentu E. Zavattini zemřel 9. ledna 2007. Ostatní autoři experimentu se nyní domnívají, že stočení roviny polarizace je úměrné B², což vylučuje axionovou interpretaci experimentu a s největší pravděpodobností šlo o nějakou systematickou chybu. Tím by výsledky experimentu byly v souladu s experimentem CAST. Konečné slovo ale řekne až experiment ALPS a sledování zákrytu kvazaru 3C 279.

Klip týdne: Polarizace elektromagnetické vlny

Polarizace elektromagnetické vlny. V animacích si prohlédněte různé polarizace elektromagnetické vlny. Za rovinu polarizace se považuje rovina kmitů elektrického vektoru. Na animacích je znázorněn červeně. V první animaci je rovinná polarizace, elektrický vektor kmitá v rovině. V druhé animaci je eliptická polarizace. Kmitající elektrický vektor v daném místě prostoru opisuje elipsu, obdobně při kruhové polarizaci (třetí animace) kružnici. Na poslední animaci je stojatá elektromagnetická vlna, která vznikne složením vln při odrazech mezi dvěma zrcadly. Zdroj: Pennsylvania State University. (gif, 1 MB) (gif, 1 MB) (gif, 1 MB) (gif, 1 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu