W POGONI ZA AKSJONAMI

Wydaje mi się ,że to co najbardziej intryguje fizyków [tych którzy żyją pracą w laboratorium eksperymentalnym], to nie jest bozon Higgsa [ i pola Higgsa], lecz materia tak zwiewna i subtelna, że praktycznie aż niewidzialna i z trudem rejestrowana przez nasze aparaty.

Możliwe ,że w ich nieświadomości[osób należących do kultury śródziemnomorskiej] tkwią słowa przeczytane w Drugiej Księdze Machabejskiej [1] :

“Zaklinam cię, dziecko moje, spojrzyj na niebo i ziemię, a obejmując wzrokiem wszystko, co na nich się znajduje, pomyśl, że Bóg stworzył to z niczego, podobnie też powstał ród ludzki.”

Jeśli było powstanie/stworzenie wszechświata “ex nihilo”, to kierując się filozofią Plotyna [2], można wystąpić z hipotezą, iż “materia prima” najbliższa początkowemu “Nic”, to będzie prawdopodobnie : “prawie Nic” ,jako fizyczna reprezentacja absolutnie początkowego “Nic”.

Podobnie, światło fizyczne ma być (według np. Łosskiego [3] i Florenskiego[4]) fizyczną reprezentacją światła mistycznego, Boskiego. I dlatego jest tak bardzo tajemnicze i wciąż zmagamy się z jego głębszą naturą, z nie poznanymi dotychczas jego właściwościami.

Wobec tego [per analogiam] subtelna “materia pierwsza” będzie reprezentacją owego “Nic” ,stającego się z woli Boga – “Czymś”.

Toteż nie ulega dla mnie wątpliwości, iż przyszła fizyka [ która rodzi się już dzisiaj ] będzie fizyką neutrin, lub ogólnie-fizyką cząstek, dla których materia ciężka, masywna, konsystentna [barionowa] jest absolutnie przezroczysta. Słowem – cząstek niewidzialnych i nie oddziaływujących z substancją “ciężką” naszego świata.

Niesamowicie zagadkowe i tajemnicze jest zjawisko istnienia materii, która praktycznie nie oddziałuje z substancją widzialną, z tworzywem wszechświata. Jaka jest rola i jakie znaczenie tej “pierwszej materii”?

Czy tylko jest śladem, tropem aktu boskiego : creatio ex nihilo? A może jest sygnałem potwierdzającym wciąż obecne “Divine action”?

W.Pauli postulując istnienie neutrina [5], kierował się wiarą , że w najgłębszej osnowie naszego wszechświata, założone są fundamentalne symetrie i jedna z nich -w ludzkim ujęciu- ma postać zasady zachowania pędu .

Ettore Majorana odkrył dualny świat neutrin [6] i sugerował swemu przyjacielowi [E. Fermiemu ], że jego cząstki [zwane dzisiaj cząstkami lub fermionami Majorany] są “na granicy istnienia i nie-istniena “.

Genialna intuicja ,lub tajemna łaska “wglądu” w istotę wszechrzeczy u Majorany -zadziwia nas dzisiaj intensywnie.

Kim był ten człowiek? Jacy aniołowie pomogli mu w medytacji nad granicą istnienia i nie-istnienia, w wyniku której ujrzał “pierwszą materię” ?

Byt na “granicy” jest łącznikiem dwóch światów, pośredniczy, gwarantuje możliwość przechodzenia z jednego świata do drugiego [ i odwrotnie].

Jak mówił Platon w swym wspaniałym micie “jaskini”, stamtąd się nie wraca ,lub po powrocie z żyjącymi w świecie “cieni” nie można się już porozumieć.

A w roku 1977, Roberto Peccei i Helen Quinn [7] zajmujący się teorią oddziaływań silnych [ jądrowych] przerażeni złamaniem [przez ówczesny model] kombinowanej symetrii względem przekształcenia CP, [ nie obserwowanym w rzeczywistości], zaproponowali rozwiązanie opierające się na dodaniu do Modelu Standardowego (MS) nowej globalnej symetrii chiralnej U(1).

Przypomnę, że chiralność cząstki, to inaczej skrętność. Własność polegająca na tym ,że lustrzane odbicie cząstki nie jest identyczne z cząstką. Chiralny jest każdy obiekt, którego lustrzane odbicie nie jest takie, jak on sam.

Symetria chiralna może być wyjaśniona przykładem : prawa rękawiczka pasuje do prawej dłoni, a jej lustrzane odbicie (lewa rękawiczka) do odbicia prawej dłoni (czyli lewej ręki).

Natomiast, symetria CP w QCD polega na tym, iż oddziaływanie jądrowe nie zmienia się przy zamianie cząstki na antycząstkę [symetria ładunkowa C ] i jednoczesnym jej odbiciu lustrzanym [symetria P].

Następnie Weinberg i niezależnie Frank Wilczek zauważyli, że mechanizm Peccei-Quinn usuwający złamanie symetrii CP musi prowadzić do występowania nieznanej dotychczas cząstki tzw. bozonu – pseudoskalara Nambu-Goldstone’a.

Nasz rodak ,Frank Wilczek [8,9],który wspólnie z D.J.Grossem i D.Politzerem ostatecznie uformował teorię oddziaływań silnych

[ zwaną Quantum Chromodynamics – QCD],uhonorowaną w 25 lat później Noblem – nazwał ten hipotetyczny bozon “Aksjonem”, [ang. “ axions”] pod wpływem [jak sam oznajmił] popularnego wówczas w USA proszku do prania “Axion”.

I w ten sposób, świat prawie nie istniejący : neutrin, cząstek Majorany, fotonów, poszerzył się o aksjony.

Umysł człowieka rozwinął przygodę poznawczą na styku istnienia i nie-istnienia.

Aksjony w ramach QCD są matematycznie opisane bardzo drobiazgowo. Są bozonami , mają spin całkowity równy O, nie posiadają ładunku elektrycznego i mają znikomą masę.

Opracowano teoretycznie różne mechanizmy [modele] oddziaływania aksjonów z innymi cząstkami[tzw. sprzężenia] i wszystkie mają charakter hipotez do weryfikacji doświadczalnej.

Weryfikacji bardzo trudnej technicznie ,gdyż parametry tych sprzężeń są znikome.

Z modeli tych wynika, że masa aksjonów nie może przekraczać kilku eV/c² i raczej leży w obszarze 10^-6 eV/c² - 1 eV/c² .

Dla porównania: masa elektronu wynosi ok. 0,5 MeV/c² .Można to porównanie przedstawić w kilogramach :

masa elektronu rzędu 10E(-31) [kg]

masa aksjonu rzędu 10E(-42) [kg].

Masa aksjonu jest więc mniejsza od masy elektronu sto miliardów razy!

Od kilkunastu lat usiłuje się schwytać empirycznie aksjony. Pomysły jak to zrobić, są prawdziwymi fajerwerkami wyobraźni ludzkiej. Gorzej jest z możliwościami technicznymi pomiarów odpowiednich parametrów aksjonów i z uzyskanymi pierwszymi wynikami.

W skrócie napiszę ,że istnieją trzy rodzaje zjawisk ,które mogą prowadzić [według teorii] do wytworzenia aksjonów i możliwości pomiaru ich niektórych parametrów.

a. aksjony, jako produkty rozpraszania promieni X na cząstkach elementarnych w b. silnym polu ExB

b. foton w bardzo silnym polu ExB przechodzi w stan zmieszany z aksjonem , czyli tym samym pojawia się aksjon

[konwersja:foton->aksjon i odwrotnie - tzw.efekt Primakoffa]

c. w obszarze styku topologicznych i zwykłych izolatorów pojawiają się aksjony.

Natomiast istnieją dwa typy technicznych eksperymentów poszukiwania aksjonów, których idee badawcze przedstawiam skrótowo poniżej

I. CAST-CERN ,Axion Solar Telescope,

w projekcie tym [start odbył się w 2003 roku] szuka się aksjonów , które mogą powstawać we wnętrzu Słońca. Według modelu teoretycznego mogą one być produkowane w jądrze Słońca ,jako produkty rozpraszania promieni X [ Roentgena] na protonach i elektronach w obecności bardzo silnych pól elektrycznych.Niewidzialne aksjony docierające do Ziemi, wpadają do teleskopu rejestrującego promienie X, który jest umieszczony w poprzecznym, b. silnym polu magnetycznym [wykorzystuje się tu cernowskie magnesy LHC ],dzięki któremu następuje zjawisko odwrotne: konwersja aksjonów narodzonych w jądrze Słońca na promienie X.Niestety, dotychczasowe pomiary nie wykryły istnienia aksjonów słonecznych ,ale CAST nie jest projektem zamkniętym i postanowiono zwiększyć czułość detektorów promieni X [10].II. OSQAR –CERN ,Optical Search for QED vacuum magnetic birefringence, Axions and photon Regeneration.Propagacja światła w bardzo silnym polu magnetycznym prowadzi do oddziaływania fotonów z tzw. pętlą elektronową ,co skutkuje kwantowym zjawiskiem dwójłomności próżni.W obecności zewnętrznego pola B, próżnia staje się ośrodkiem wykazującym dwójłomność. Wobec tego liniowo spolaryzowane światło w takich warunkach uzyskuje eliptyczność ,oraz wykazuje niewielkie rotowanie wektora polaryzacji.Wielkość tych efektów [wyliczona teoretycznie] zależy od długości drogi propagacji fotonów w polu B. Zwiększamy ją wielokrotnym odbiciem wiązki od układu zwierciadeł w polu B.Z drugiej strony wiemy z chromodynamiki kwantowej, że w silnym polu magnetycznym foton ze stanu czystego ,przechodzi w stan zmieszany z aksjonem.Obecność aksjonu spowoduje ,że dwójłomność oraz polaryzacja - powiększą się na skutek oddziaływania aksjon - foton.Pomiar tej różnicy w wielkościach efektów, pozwoli stwierdzić istnienie aksjonów i wyznaczyć ich parametry .Dodatkowo, w eksperymencie OSQAR wywołuje się regenerację fotonów z mieszaniny akjon-foton stosując tzw. ”świecenie przez ścianę”.Najpierw foton [L] propagujący się w polu magnetycznym ze stanu czystego przechodzi w stan mieszany aksjonu z fotonem[ AM]. Wiązka trafia w ścianę [bariera optyczna - B] i przechodzi tylko aksjon CA [foton zostaje pochłonięty],a po drugiej stronie natrafia na b.silne pole magnetyczne [R], które z powrotem zamienia aksjony na fotony.Na samym zaś końcu układu jest detektor fotonów [DF] i z określonym prawdopodobieństwem dostajemy foton.Jeśli detektor nie zarejestruje żadnego sygnału[fotonu] to dowód, iż w tym eksperymencie nie było aksjonów.Albo ,że czułość aparatur pomiarowej jest zbyt niska, by analizować i wpływać na stany sprzężone “aksjon- foton”.Polowanie na aksjony ma bardzo duże znaczenie dla astrofizyki i kosmologii[zob.11]. Ale to jest następny rozdział opowieści o czymś ,co jest “prawie Nic”, a co możliwe ,że odsłoni tajemnice creatio ex nihilo.