HẠT AXION
HẠT
AXION
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)=109 đến 1012 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 lại bảo toàn biến đổi CP.
Trong lagangian QCD chứa một thông số gọi là 
,THETA thông số này làm cho CP bị phá vỡ:
.Peccei & Quinn giải quyết như sau. Xem thông số theta là một trường có đối xứng U(1) (đối xứng
Hạt axion dao động quanh minimum như một hòn
bi quanh vành mũ Mexico và minimum của
lực thế (potential force ) buộc trung bình THETA à
tiến đến 0 vậy bài toán CP của QCD được giải quyết nhờ cơ chế Peccei-Quinn.
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 1 .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. Như vậy cùng
với hạt WIMPs hạt axion có thể tham gia vào việc cấu thành DM.
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 2. Các dữ liệu về khối lượng hạt axion
Trên hình 2 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 3.
Hình 3
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 4).
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 4)
Hình 4. 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.
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
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?
Theo hình 2 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]R. D. Peccei and Helen R. Quinn,CP Conservation in the Presence of
Pseudoparticles*
Institute of Theoretical Physics, Department of
Physics,
[2]George Rajna,
Black Holes Axion as Dark Matter
[3] Physics, What is the axion? and why it is being searched for by
particle physicists? what is its relation with the Dark Matter of the Universe?
[4] Leslie Rosenberg,Matière noire,
La cote de l’axion monte
Pour la Science
No490,tháng 8/2018.
[5] Wikipedia,axion
https://en.wikipedia.org/wiki/Axion
Nhận xét
Đăng nhận xét