В 1977 году физик Фрэнк Вильчек придумал название для гипотетической частицы, вдохновившись… средством для мытья посуды. Спустя почти полвека эта идея превратилась в одну из самых многообещающих теорий в науке. Сегодня аксионы называют «частицей-уборщицей» — они могут не только раскрыть природу невидимой материи, но и объяснить, почему Вселенная стремительно расширяется. Исследователи по всему миру готовы перевернуть наши представления о космосе. Как моющее средство из супермаркета связано с фундаментальными законами физики? И почему аксионы вдруг стали главными кандидатами на звание «частицы всего»?
В середине 1970-х физики столкнулись с загадкой, которая угрожала пошатнуть Стандартную модель — основу современной физики элементарных частиц. Речь о так называемом «сильном CP-проблеме». Согласно теории, сильное взаимодействие — одна из четырех фундаментальных сил — должно по-разному влиять на материю и антиматерию. Но эксперименты показывали обратное: симметрия оставалась нерушимой. Это противоречие требовало решения.
Именно тогда Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг предположили существование новой частицы — аксиона. Ее название Вильчек позаимствовал у моющего средства Axion, увиденного в магазине. Ученые надеялись, что аксион «очистит» теорию от противоречий. Однако вскоре выяснилось: эта частица способна на большее.
В 1983 году физики обнаружили, что аксионы могут объяснить природу темной материи — невидимой субстанции, на долю которой приходится 26,8 % от всей энергии-массы Вселенной. Темная материя необходима для объяснения нестыковок в поведении физических тел. В частности, так объясняют проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.
Но тогда идея не привлекла внимания. Мир увлекся поиском вимпов (кандидатов на роль основного компонента холодной темной материи), казалось, что их проще обнаружить. Лишь спустя десятилетия, после серии неудач с вимпами, аксионы вернулись в центр научного внимания.
От моющего средства до темной материи
Аксионы — гипотетические частицы, которые, согласно квантовой механике, могут вести себя и как волны, и как частицы. Их масса, по расчетам, колеблется от одной триллионной до одной сотой электронвольта. Для сравнения: протон «весит» около миллиарда электронвольт. Такая легкость означает, что длина волны аксиона может достигать ширины галактики. То есть аксионы — если они существуют — ведут себя не как привычные нам частицы (например, электроны или протоны), а скорее как гигантские волны, растянутые в космическом масштабе.
Изначально их задача заключалась в решении сильной CP-проблемы. Но в 1983 году ученые поняли: аксионы могут быть ключом к темной материи. В ранней Вселенной поле аксионов колебалось, высвобождая энергию. Эти колебания, как выяснил Дэвид Марш из Королевского колледжа Лондона, вели себя точно так же, как предсказывали модели темной материи.
Почему аксионы лучше вимпов?
Долгое время вимпы считались главными кандидатами на роль темной материи. Их предполагаемая масса — близкая к массе протона — упрощала эксперименты. Но после 40 лет поисков вимпы так и не нашли. Аксионы же, несмотря на сложность обнаружения, стали набирать популярность.
В 2023 году команда Альфреда Амрута из Гонконгского университета обнаружила странности в гравитационном линзировании — искривлении света вокруг галактик. Оказалось, гало темной материи вокруг них неоднородно, что идеально совпадает с моделью аксионной материи. «Если аксионы существуют, их волны создают интерференцию, как рябь на воде. Это объясняет “комковатость” гало», — говорит Лам Хуи из Колумбийского университета.
Спасение от космических противоречий
Еще одна загадка — «сигма-8 напряжение». Наблюдения реликтового излучения (света, оставшегося после Большого взрыва) не совпадают с распределением галактик сегодня. Катрин Хейманс из Эдинбургского университета, открывшая этот парадокс, считает: сверхлегкие аксионы могли подавлять скучивание материи, сглаживая противоречия.
В июне 2023 года эксперименты с пульсарами (быстро вращающимися нейтронными звездами) обнаружили фоновые гравитационные волны. «Колебания аксионов оставили бы следы в этих волнах», — объясняет Кейр Роджерс из Университета Торонто. Пока данные недостаточно точны, но новые измерения могут изменить ситуацию.
Темная энергия: неожиданный поворот
В 2020 году анализ данных спутника Planck выявил аномалию: поляризация реликтового излучения (ориентация световых волн) повернулась на несколько градусов. «Это можно объяснить, если между нами и излучением есть поле аксионов», — говорит Дэвид Марш. Удивительно, но такой эффект предсказали еще в 1980-х: аксионы заставляют фотоны взаимодействовать с самими собой.
Более того, эти аксионы могут быть формой темной энергии — силы, которая расталкивает Вселенную. По словам Марша, в ранней Вселенной они вели себя как темная энергия, а позже «превратились» в темную материю. Проверить гипотезу поможет японский спутник LiteBIRD, запуск которого запланирован на 2028 год.
Охота за «частицей всего»
С 1996 года эксперимент ADMX в Университете Вашингтона пытается поймать аксионы с помощью мощных магнитов. «Это как радио, которое настраивают на разные частоты, — говорит руководитель проекта Грей Рыбка. — Пока мы проверили пять процентов возможного диапазона масс».
В 2024 году в Университете Шеффилда стартует проект Quantum Sensing for the Hidden Sector. Установка, работающая при температурах, близких к абсолютному нулю, повысит чувствительность поисков. «Мы войдем в квантовый режим», — обещает руководитель Эд До.
Аксионы vs вимпы: битва гипотез
Несмотря на конкуренцию, поиски вимпов продолжаются. «Но с каждым годом зона их возможного существования сужается, — говорит Лаура Бодис из Цюрихского университета. — Для аксионов же мы только начинаем поиск».
Больше, чем темная материя
Аксионы могут решить и другие загадки:
- Напряжение Хаббла: Расхождение в скорости расширения Вселенной, измеренной разными методами. Аксионы могли изменить историю расширения в ранние эпохи.
- Барионная асимметрия: Почему после Большого взрыва материи осталось больше, чем антиматерии? Вращающееся поле аксионов могло нарушить баланс.
Post Scriptum
«Теоретически аксионы должны существовать, — убежден Фрэнк Вильчек. — Другого решения для этих проблем нет». Если эксперименты подтвердят его слова, мы получим частицу, которая объяснит не только темную материю и энергию, но и саму структуру Вселенной. А история о том, как идея, рожденная в супермаркете, перевернула науку, станет новой главой в учебниках физики.
-----
Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим вашего внимания, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже 👇👇👇 либо нажать на кнопку «Поддержать» чуть ниже этого сообщения (с правой стороны). Ссылка