hạt AXION

 

   

hạt AXION

42B

Hạt axion là một hạt cơ bản giả định xuất hiện trong lý thuyết Peccei-Quinn năm 1077 để giải quyết bài toán vi phạm CP trong tương tác mạnh QCD (Quantum chromodynamics-Sắc động học lương tử). CP có nghĩa là Charge-Parity (Điện tích-Chẵn lẻ). 

Nếu axion có khối lượng nhỏ thì axion có hy vọng là ứng viên của vật chất tối.

CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT AXION:

Spin =0 ,điện tích =0,

Khối lượng    =10^−5 đến 10^−3 eV/c2   , 

Độ rộng phân rã (decay width)=10^9 đến 10^12 GeV/c2 .

Hạt axion được đưa vào lý thuyết  năm 1977, bởi hai nhà vật lý Roberto  Peccei and Helen Quinn

Ký hiệu của hạt A ^0 .

Hiện trạng :hạt phỏng thuyết .

Hạt axion có tương tác : hấp dẫn , điện từ .Axion là một hạt giả vô hướng.

Hạt axion là hạt gì ?

Vì sao hạt được nhiều nhà vật lý truy tìm ? Axion có mối liên quan gì đến DM (Dark Matter-Vật chất tối) của vũ trụ?

Hạt axion là một hạt phỏng thuyết xuất hiện trong SM (Standard Model-Mô hình Chuẩn các hạt cơ bản) mở rộng dưới cơ chế gọi là cơ chế Peccei-Quinn.

Cơ chế này được đưa vào 35 năm về trước để giải thích một bài toán của SM: đó là bài toán CP trong tương tác mạnh (the strong-CP problem).

Hạt axion được đưa vào năm 1997 bởi hai nhà vật lý là Roberto Peccei và Helen Quinn dể giải quyết bài toán gọi là bài toán CP mạnh.

Thế nào là biến đổi CP?

Trong biến đổi CP người ta thay một hạt bằng phản hạt ( charge conjugation hay C symmetry) đồng thời làm nghịch  đảo tọa độ không gian (parity, “mirror” hay P symmetry).

Bài toán CP mạnh phát biểu như sau :

Hãy tìm lý do vì sao QCD (Quantum Chromodynamics-Sắc động học lượng tử )lại bảo toàn biến đổi CP.QCD là lý thuyết tương tác mạnh.

Một axion có thể phân rã thành hai photon trong vòng đời lớn hơn tuổi của vũ trụ. Hạt axion liên quan giả định đến 2 vấn đề lớn trong vật lý: vi phạm CP và vật chất tối.

Hạt axion và vật chất tối 

Từ trước các nhà vật lý xem ứng viên vật chất tối là hạt WIMPS

(Weakly Interacting Massive Particle-Hạt này có khối lượng và tương tác yếu với vật chất thông thường, xuất phát từ siêu đối xứng. Song đến nay người ta vẫn chưa thấy dấu vết của WIMPS.

Hiện nay thì các nhà vật lý lại nghiêng sự chú trọng vào hạt axion. (La cote de l’axion monte-độ nghiêng về axion tăng lên).

Hạt axion là một hạt giả định nhẹ hơn WIMPS và tương tác rất ít với vật chất thông thường.Trên hình 1là kết quả dự đoán trong qúa trình nghiên cứu khối lượng của axion theo các mô hình khác nhau.

 

                      Hình 1. Các dữ liệu về khối lượng hạt axion

Trên hình 1 ta có hệ số (hằng số ) tương tác của axion với photon như hàm của khối lượng axion. Vùng chéo màu vàng ứng với các điều kiện để axion là ứng viên tốt của vật chất tối . Nếu khối lượng axion quá bé thì quá nhiều axion được tạo nên trong thời Big Bang và chúng ta có quá nhiều vật chất tối (vùng gách chéo đỏ). Thí nghiệm ADXM cho kết quả ở vùng màu xanh nhạt sau vùng gạch chéo đỏ.

Vật chất trong vũ trụ được phân bố như trong hình 2.

      

                                                           Hình 2 

1. Hạt WIMP cũng được giả định là thành phần của vật chất tối, song đến nay người ta vẫn không tìm ra dấu vết.

2. Nhẹ hơn WIMPS nhiều có hạt axion với số lượng lớn hiện nay được cho là thành phần của vật chất tối.

3. Tiếp theo đây là loại neutrino thứ tư gọi là neutrino không hoạt tính (neutrino sterile) loại neutrino này tương tác rất yếu với vật chất thông thường.

4. Một số lỗ đen với khối lượng nhỏ (vài lần khối lượng mặt trời) cũng là một ứng viên cho thành phần vật chất tối.

5. Các nhà vật lý còn nghiên cứu các khả năng khác : tồn tại những hạt với tương tác cơ bản mới và những « nguyên tử » vật chất tối. Các nguyên tử này được xem là những « đồng dạng » tối của proton.

Các thí nghiệm về axion

Hiện nay các nhà vật lý đang tiến hành thí nghiệm có tên là 

ADMX (Axion Dark Matter eXperi-ment). Theo ý tưởng của Pierre Sivikie người ta dùng một khoang hình trụ trống để bắt giữ axion.Một từ trường mạnh sẽ buộc các axion biến thành photon mà chúng ta dễ ghi được (xem hình 3).

Trong năm 1998 các nhà vật lý trên thí nghiệm ADMX đã công bố những kết quả ban đầu mà họ cho rằng thích  hợp với kịch bản axion là ứng viên vật chất tối.

Ý tưởng của thí nghiệm ADMX (xem hình 3)

                          

  

                Hình 3. Nguyên lý thực nghiệm để phát hiện axion

Người ta còn có 2 mô hình đưa ra bởi các nhà vật lý Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov  và (KSVZ) et Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky (DFSZ).Cac mô hình này khác nhau vì tương tác với vật chất thông thường là yếu hơn hoặc mạnh hơn. 

    

Hạt axion và vật chất tối 

Gần đây có nhiều nhà vật lý cho rằng hạt axion có thể là thành phần của DM (Dark matter-Vật chất tối).

 

Hình 4 .Giản đồ Feynmann biểu diễn quá trình hạt axion (đường lấm chấm) biến thành một photon (đường sóng)khi có mặt trường điện từ (đường sóng đi về phía dưới).

Hạt axion là một hạt trung hòa và có khối lượng nhỏ (song vẫn có khối lượng), không tương tác với vật chất thông thường.Có thể xem hạt axion như là một loại photon lạ. Nếu hạt axion tồn tại thì nó có thể biến thành photon (và ngược lại ) khi có mặt trường điên từ. Đây là tính chất quan trong sử dụng trong các thí nghiệm truy tìm axion.

Số lượng axion có thể là rất lớn ngay sau Big Bang và tồn tại đến bây giờ và có thể là thành phần DM (Dark matter). Như vậy cùng với hạt WIMPs hạt axion có thể tham gia vào việc cấu thành DM.

GHI ĐO HẠT AXION

Nhờ tính chất biến thành photon trong điện từ trường mà hạt axion có thể ghi đo được nhờ những khối từ lớn (magnet). Những loại thí nghiệm như thế được tiến hành (ALPS tại DESY , hoặc OSQAR tại CERN, ADMX tại Washington).

Trong thí nghiệm IAXO (International Axion Observatory) người ta sử dụng một magnet siêu dẫn. IAXO đã trở thành một công cụ hữu hiệu để tìm ra axion.

Một công cụ khác để truy tìm hạt axion là axion helioscope (CAST-CERN Axion solar telescope) nhằm mục đích tìm axion từ mặt trời.

   

                                                        Hình 5  . IAXO

Kết luận

Hiện nay các nhà vật lý đang phát huy công sức để truy tìm trước hết là sự tồn tại của hạt axion và tiếp theo là giải quyết câu hỏi axion vốn là một hạt trong phạm vi tương tác mạnh có thể là thành phần quan trọng của DM hay không?

KẾT LUẬN

Theo hình 1 chúng ta thấy rằng khối lượng axion vào khoảng vài microelectronvolt theo mô hình ADMX , chắc rằng  cần nhiều thí nghiệm nữa để chính xác hóa kết quả. Các nhà vật lý hy vọng rằng các lý thuyết và thực nghiệm về axion góp phần giải quyết 2 vấn đề lớn : bài toán CP và vật chất tối.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 

[1] Leslie Rosenberg, Matière noire, La cote de l’axion monte

Pour la Science No490,tháng 8/2018.

[2] Wikipedia,axion

https://en.wikipedia.org/wiki/Axion