Nuostabioji dalelė: kaip aksionai galėtų išspręsti ne tik tamsiosios materijos problemą

1977 metais fiziko Frank Wilczek pasivaikščiojimas visam laikui pakeitė dalelių fiziką. „Tada vaikštinėjant, man kilo dvi išties geros idėjos,“ prisimena jis. Pirmoji apie tai, kaip teorinė dalelė, vėliau pavadinta Higgso bozonu, galėtų sąveikauti su kitomis dalelėmis. Būtent taip Higgso dalelė po kelių dešimtmečių ir buvo rasta. Tačiau antrajai idėjai įsigalėti prireikė kiek daugiau laiko.

Wilczekas įsivaizdavo, kaip galėtų būti sukurtos labai lengvos – praktiškai bemasės – dalelės. Jis aptarė tai su kolega Stevenu Weinbergu, kuris irgi nagrinėjo šią sferą. Drauge jiedu numatė dalelių klasę, kurias dabar vadiname aksionais.

Weinbergas buvo optimistas, įtikinėjo MIT dirbantį Wilczeką, kad aksionus rasti neturėtų būti sunku. Tačiau beveik po pusšimčio metų mes jų tebeieškome. Tuo laiku susidomėjimas aksionais – labiausiai kurstomas galimybės, kad jie gali būti sunkiai randama tamsioji materija, kuri sudaro 85 visatos materijos – pasisuko link kitų paaiškinimų.

Dabar, taip ir nepavykusios tamsiosios materijos paieškos ir daugybė teorinės ir eksperimentinės fizikos proveržių prikelia aksionus. „Jie ir vėl madingi,“ sako Wilczekas.

Ir dabar laimikis gali būti gerokai didesnis, nei paslaptingoji tamsioji materija, nes aksionai pateikia daugybės kosmologinių paslapčių , tarp kurių ir efemeriškoji, manoma, lemianti visatos plėtimąsi tamsioji energija, sprendimą. Būtent todėl jų paieškos taip intensyvėja.

Prieš kelis metus iki lemtingojo pasivaikščiojimo, Wilczekas su motina buvo prekybos centre, kur pastebėjo ploviklį Axion. Pavadinimas jam patiko. „Kai atsirado galimybė naujai dalelei, kuri išvalo problemą, viskas idealiai sutapo,“ prisimena jis. „Weinbergas vadino ją ʼHiggletʼ, bet sutiko, kad ʼaxionʼ – geresnis pavadinimas.“

Kas yra aksionai?

Aksionai, jei egzistuoja, paklūsta keistoms kvantinės mechanikos taisyklėms, tai yra, turi ir dalelės ir bangos savybių. Kaip dalelės, jos būtų itin mažos masės dalelės, nuo šimtų iki milijardų kartų mažesnės, nei lengviausių dabar žinomų dalelių. Kadangi jos tokios lengvos, jų masę atitinkančių bangų ilgis būtų galaktikos pločio.

Iš pradžių aksionams nebuvo priskiriamas kosmologinių paslapčių sprendinio vaidmuo. Iš tiesų, pirmasis jais panaikintas kabliukas buvo vadinamoji stipriosios sąveikos CP invariantiškumo pažeidimo problema. Tai dalelių fizikos paslaptis, susijusi su viena iš keturių fundamentaliųjų sąveikų – stipriąja. Kitaip nei likusios trys, veikiančios materiją ir antimateriją skirtingai, stiprioji sąveika subatomines daleles – kvarkus – veikia taip pat, kaip ir jų antidaleles, antikvarkus. Šią neįprastą simetriją galėtų paaiškinti naujas laukas, kurį užpildytų lengvos dalelės – aksionai.

Tuo metu, 1983, įvairūs fizikai, tarp kurių ir Wilczekas, pradėjo suprasti, kad šis naujas laukas galėtų išspręsti ir kitą svarbią problemą. „Tai tiesiog nemokamas priedas,“ sako Davidas Marshas iš KCL. Taip nutiko, nes ankstyvojoje visatoje buvo daugybė energijos. „Visatai vėstant, šis [aksionų] laukas imtų osciliuoti,“ sako Marshas. Kitaip tariant, jis atiduotų energiją pusluojančios šviesos ir šilumos forma. „Šių osciliacijų energija pasireiškia lygiai taip, kaip tamsioji materija,“ sako jis. Tad, aksionai tampa kandidatais į tamsiosios materijos postą.

Aksionų tamsioji materija

Aksionai puikiai slepiasi. Labiausiai dėl to, kad jų galimų masių spektras dramatiškai platus, tad nežinia, kur jų ir ieškoti. Kadangi energija ir masė yra ekvivalentiški, fizikai dalelių mases matuoja elektronvoltais (㋎), tarkime, protono masė yra milijardas elektronvoltų (G㋎). „Sunkiausi aksionai galėtų būti maždaug vienos šimtosios elektronvolto masės (10⁻² ㋎),“ sako Marshas. „Bet jie gali būti ir vienos trilijonosios elektronvolto (10⁻¹² ㋎)“ Kadangi masių spektras toks platus, niekas nežinojo, kur pradėti. Entuziazmas dėl aksionų buvo labai išblėsęs, sako Wilczekas.

Tuo pat metu augo alternatyvaus tamsiosios materijos paaiškinimo versijos populiarumas. Silpnai sąveikaujančios masyvių dalelių (WIMP) masė turėjo būti gerokai didesnė nei aksionų, maždaug protono lygio, ir tokius rubuilius aptikti eksperimentais turėjo būti lengviau. Tuo tarpu „aksionų paieškos eksperimentai buvo išties sunkūs“, pažymi Marshas.

„Daugelį metų dominavo WIMP, o aksionai sulaukdavo mažiau dėmesio,“ sako Edas Daw iš Sheffieldo universiteto, JK. Tačiau visos per dešimtmečius nuo WIMP idėjos iškėlimo atliktos paieškos buvo bergždžios. Ir pastaruosius keletą metų tyrėjai svarsto, kad tamsiosios materijos vaidmeniui aksionai tiktų labiau, nei WIMP. „Jie iš esmės tapo palankiau vertinamu tamsiosios materijos kandidatu,“ sako Keiras Rogersas iš Toronto universiteto Kanadoje.

Viena iš tokių užuominų yra šviesos išlinkimas apie galaktikas dėl gravitacijos. Manoma, kad daugumą galaktikų supa tamsiosios materijos halas. Tai matome iš jų sukimosi, kuris atrodo tolygus. Iš to astronomai daro išvadą, kad jas vienodai visomis kryptimis traukia nematoma jėga.

Štai čia scenoje pasirodo aksionai. Jų bangos ilgis, atstumas, kuriuo jie osciliacija, gali būti ir 3000 šviesmečių, sako Lam Hui iš Columbia universiteto Niujorke. Bet kaip raibuliai tvenkinyje, šios osciliacijos sąveikauja viena su kita, iš ko kyla interferencija. Tamsiosios materijos hale tai gali formuoti nemenkus didesnio ir mažesnio tankio aksionų regionus. „Tai labai gumbuotas halas,“ sako Hui. Anksčiau šiais metais Alfredo Amrutho iš Hong Kongo universiteto vadovaujama astronomų komanda tokios gumbuotos struktūros požymius Žemę pasiekiančioje galaktikų išlenkiamoje šviesoje.

Tamsiosios materijos gumbuotumas

Tai labai svarbus atradimas, nes jeigu aksionai yra tamsioji materija, jie galėtų išspręsti kitą, bet susijusią paslaptį. O būtent, kad tamsioji materija sulimpa mažiau, nei tikimasi. Kosminio mikrobangų fono (KMF) stebėjimai rodo, kad ankstyvosios visatos infliacijos palikta šviesa, išspinduliuota maždaug po 380 000 metų nuo didžiojo sprogimo, neatitinka dabar matomo galaktikų spiečių pasiskirstymo.

„Turime visatos modelį, numatantį, kaip ji turėjo atrodyti iš karto po didžiojo sprogimo ir dabar, bet šie du vaizdai vienas su kitu nedera,“ sako Catherine Heymans iš Edinburgho universiteto, JK. Heymans pirmoji pastebėjo šią problemą, žinomą, kaip sigma-8 įtampą, ir e vienus metus ją sprendė. Jei tamsioji materija būtų bent iš dalies sudaryta iš ultralengvų aksionų, žemesniame potencialių masių spektro gale, šie aksionai galėtų slopinti gumbuotumą, pažymi ji.

Jei pasiseks, to įrodymų gali netekti laukti ilgai. Tokie aksionai gali pasirodyti masyvių objektų sukimosi ar susidūrimo sukeltų erdvėlaikio raibulių – gravitacinių bangų – paieškos eksperimentuose. Birželį, keliais eksperimentais buvo matuojamas šviesos impulsų iš greitai besisukančių žvaigždžių, vadinamųjų pulsarų matavimo masyvų, sklidimo greitis. Eksperimentai atskleidė pirmuosius visatos gravitacinių bangų fono įrodymus. Šios bangos taip pat puikiai tinka matuoti ir tamsiosios materijos pasiskirstymą kosmose.

„Osciliuojantys aksionai turėjo palikti įspaudus gravitacinių bangų signatūroje,“ sako Rogersas. Kol kas duomenų jautrumo nepakanka tokiems įspaudams aptikti. „Pirmu bandymu jie nieko neaptiko,“ sako jis. Bet daugėjant išmatuotų pulsų, rezultatai turėtų gerėti, ir aptikti potencialų aksionų tamsiosios materijos signalą.

Jei pavyks juos aptikti, įmanoma, kad aksionai sudaro visą tamsiąją materiją ir paslaptis bus išspręsta vienu mostu. Bet gali būti, kad ji yra tik dalis jos, o likusi – WIMP ar kiti kandidatai, tarkime, nuo didžiojo sprogimo likusios pirmykštės juodosios bedugnės. „Nėra jokios priežasties manyti, kad tamsioji materija turėtų būti tik vienas dalykas,“ sako Marshas. „Standartinis visatos modelis itin sudėtingas, su protonais, neutronais, kvarkais, elektronais, visu tuo. Kodėl tamsioji materija turėtų būti paprasta?“

Patys aksionai tikriausiai irgi nėra tik vieno tipo. Tikėtina, kad jeigu egzistuoja vienas aksionų tipas, tuomet yra visas jų spektras, nuo ultralengvų iki santykinai sunkių, kaip bangų ir dalelių šeima, kur kiekvienas galėtų pritaikomas kitai problemai. „Skirtingų masių aksionai būtų labai natūralu,“ sako Francesca Chadha-Day iš Durham universiteto, JK. „Bet neturėtume sakyti, kad dabar kiekvienai problemai turime po aksioną, jei nėra jokių tiesioginių eksperimentinių jų įrodymų.“

Šiaip ar taip, dar nėra. Bet ESA palydovas Planck suteikė vienus iš geriausių įrodymų. Ir šį kartą aksionai galėtų padėti išspręsti visai kitą kosmologijos paslaptį, pateikdami potencialų visatą plečiančios nežinomos jėgos, pramintos tamsiąja energija, paaiškinimą.

2020 metais Yuto Minami iš Aukštos energijos greitintuvo tyrimų organizacijos Japonijoje ir Eiichiro Komatsu iš Max Planck Astrofizikos instituto Vokietijoje, Planck palydovo KMF matavimuse aptiko kai ką intriguojančio. Jie tyrė poliarizaciją – kaip banga sklindančios šviesos erdvinės orientacijos rodiklį – ir išsiaiškino, kad ji pasisuko pora laipsnių. Atrodė, lyg kažkas paveikė šviesą tarp jos išspinduliavimo ir patekimo į palydovą.

O dar labiau intriguoja, kad šis keistas efektas prognozuotas buvo jau prieš kelis dešimtmečius. Konkrečiai – praėjusio amžiaus devintajame dešimtmetyje, kai tyrinėjant aksionų lauką, buvo atrasta, kad šviesos dalelėms, fotonams, judant per šį lauką, jis su fotonais sąveikauja. Planck aptiktą šviesos poliarizaciją „labai natūraliai paaiškina tarp KMF ir mūsų esantys aksionai“, sako Marshas.

Tamsioji energija

Taip jau nutiko, kad siūlomas aksionų tipas pasireikštų kaip tamsioji energija, bet tik tam tikru laikotarpiu. Taip jis yra priskirtintas vadinamai ankstyvajai tamsiosios energijos klasei, taip vadinamai, nes ji veikė tik ankstyvojoje visatoje. Teorinių ankstyvosios tamsiosios energijos rūšių daug, bet šioji – ypatingai keista: aksionai būtų elgęsi kaip tamsioji energija po to, kai pasklido KMF šviesa, veikdami ją, kol ši sklido iki mūsų teleskopų. Bet vėliau jie pradėjo elgtis kaip tamsioji materija. „Jie elgėsi truputį kaip tamsioji energija ir truputį kaip tamsioji materija,“ pastebi Marshas.

Aksionai siūlo potencialų ir daugelio kitų paslapčių sprendimą (žr. „Visi atsakymai“). Bet Planck poliarizacijos rezultatas labiausiai jaudinantis. 2028 metais planuojama paleisti Japonijos kosminė observatorija LiteBIRD yra kuriama būtent matuoti KMF poliarizaciją. Observatorija patvirtins arba paneigs keistą poliarizacijos pasukimą. Jei signalas pasirodys iš tiesų esantis, šie keistieji aksionai, kurie iš pradžių elgiasi kaip tamsioji energija, o tada kaip tamsioji materija, gali egzistuoti. „Galime pabandyti ir jų paieškoti, ir jei pasiseks, jie gali būti vos žemiau dabartinės viršutinės ribos,“ sako Marshas.

Aksionų aptikimas

Tuo tarpu intensyvėja aksionų paieškos eksperimentai Žemėje. Kol kas, turbūt geriausias – Aksionų tamsiosios materijos eksperimentas (ADMX) Washingtono universitete Seattle, kuriame magnetais bandoma aptikti į fotonus suyrančius aksionus – teoriškai jie turėtų suirti, veikiami magnetino lauko. Bet toks būdas labai nespartus, nes reikia daygybės matavimų, sako eksperimentui vadovaujantis Gray Rybka. Tai „lyg AM radijas“, lygina jis – bet vietoje radiojo stočių jie stengiasi pagauti aksionų dažnį.

Kol kas nuo 1996 m. veikiantis ADMX, ištyrė nedidelę dalį, maždaug 5％, potencialaus aksionų masės spektro. Bet eksperimentas tęsiamas, paieškos sritis plečiasi, ir aptikimas gali įvykti bet kuriuo momentu. „Aksioną jie gali atrasti kad ir rytoj,“ sako Marshas.

Atsiranda ir kiti, mažesni eksperimentai, kuriuose panaudojamas bruožas, dėl kurio aksionai iš pradžių ir buvo tokie nepatrauklūs: platus galimų jų masių spektras. Pavyzdžiui, Sheffieldo universitete, 2024 metais bus pradėtas naujas aksionų medžioklės eksperimentas – Kvantinės paslėptojo sektoriaus paieškos (QSHS). Eksperimentas vykdomas šaltesnėje aplinkoje, nei kitos aksionų paieškos, arti absoliutaus nulio, sako projektui vadovaujantis Daw. „Taip iš esmės pereisime į kvantinį režimą,“ sako jis. „Turėtume būti jautresni už kitus ekperimentus.“

„Yra idėjų padengti visą masių spektrą, kur, kaip manome, galėtų būti aksionai,“ sako Marshas. „Tai labai labai jaudina.“ Tamsiosios materijos fronte konkuruoja WIMP ir aksionai, pažymi Laura Baudis iš Zuricho universiteto Šveicarijoje. WIMP paieškos tęsiasi, bet vietų kur jie galėtų slėptis, kasmet mažėja. Tuo tarpu daugelis aksionų galimybių dar neištirtos. „Aksionų ir WIMP eksperimentai lenktyniauja, bet jie taip pat ir vienas kitą papildo, nes jie neieško tos pačios dalelės,“ pastebi Baudis.

Jeigu bus aptikti aksionai, jie galėtų susidoroti su daugybe mūsų visatos betvarkių. Šiuo atžvilgiu jie tikrai pateisintų savo valiklio įkvėptą pavadinimą. Pavyzdžiui, Wilczekas yra įsitikinęs, kad galiausiai juos atrasime. „Teoriškai, niekaip kitaip išspręsti problemų, kurias galėtų išspręsti jie, neįmanoma,“ sako jis. „Ši dalelė daugiau ar mažiau privalo egzistuoti.“

Visi atsakymai

Teorinė dalelė aksionas galėtų atsakyti į dar dvi kosmologijos mįsles, neskaitant tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos (žr. pagr. pasakojimą). Pirmoji – Hubble įtampa. Tai yra, visatos plėtimosi spartos didėjimo, išmatuoto, analizuojant po didžiojo sprogimo likusią šviesą (KMF) ir matuojant lokalių žvaigždžių tolimo spartą, neatitikimas. „Aksionai gali pakeisti visatos istoriją,“ sako Francesca Chadha-Day iš Durhamo universiteto, KK. Jeigu tam tikros aksionų rūšys egzistavo ankstyvojoje visatoje, jos galėtų pakeisti mūsų prognozes, darytas, remiantis KMF, ir įtampos neliktų.

Antroji paslaptis yra kodėl kažkas iš viso egzistuoja. Gimstant visatai, turėjo susikurti po lygiai materijos ir antimaterijos, iš kurių anihiliacijos neturėtų likti nieko. Tai, kaip matome, neįvyko. Ir pasirodo, kad besisukantis aksionų laukas šį disbalansą galėtų paaiškinti.

Jonathan O’Callaghan
www.newscientist.com