— Published on 21/06/2020 / Bug.hr.
Fizičari koji rade na eksperimentu XENON, smještenom u talijanskom Nacionalnom laboratoriju Gran Sasso, objavili su potencijalno otkriće aksiona, hipotetske čestice za kojom se traga već 40 godina
Kad teorijskim fizičarima bude dosadno, oni predlože neku novu česticu. A eksperimentalni fizičari, naivni kakvi jesu, odmah se bace u potragu za tom česticom... Dobro, nije baš tako. Šalim se. Slutim da to tako izgleda iz laičke perspektive: kao, opet potraga za nekom hipotetskom česticom. Zapravo je situacija ovakva: materija ima svoje fundamentalne mikroskopske sastojke, a njihova svojstva i njihove interakcije temelj su za razumijevanje makroskopskih pojava. Mnoge od tih sastojaka poznajemo, ali ne sve njih. Za neke fenomene zasad nemamo zadovoljavajuća objašnjenja, ali imamo snažne indicije da postoji neki još nepoznati elementarni sastojak. To je razlog zašto teoretičari šakom i kapom predlažu nove čestice i zašto ih eksperimentalci tako sumanuto traže.
.
Aksion
Što bi bio taj aksion? U udžbenicima iz fizike naći ćete i aksione i aksone. Ovi drugi nisu hipotetske čestice nego izdanci živčanih stanica koji prenose živčane impulse. To nema veze s fizikom? Ima, ima. Živčani impulsi su električni signali, dakle struje, naponi i takve stvari. No, pustimo sad aksone.
Aksioni su hipotetske čestice predložene još 1977. godine kao moguće rješenje jednog problema iz područja kvantne kromodinamike. Ta kvantna kromodinamika, poznata po engleskom akronimu QCD, je teorija jake sile koja djeluje među kvarkovima i gluonima. Jaka sila je jedna od samo četiri temeljne sile u prirodi (ostale tri su: slaba, elektromagnetska i gravitacijska). A kromo u nazivu dolazi od činjenice da kvarkovi osim električnog naboja nose i još jednu vrstu naboja koji je nazvan naboj boje. Tako kvarkovi mogu biti crveni, plavi i zeleni što su samo glupe oznake, nisu stvarno obojeni. Boja ne postoji u mikrosvijetu. Richard Feynman navodno je rekao da su takve nazive za svojstva kvarkova mogli smisliti samo fizičari idioti. Ipak, nazivi nisu baš besmisleni. Naime, kombinacijom tih osnovnih boja u jednakim omjerima dobije se bezbojnost, a to je upravo svojstvo koje imaju jedan plavi, jedan zeleni i jedan crveni kvark na okupu: bezbojni su, ukupni naboj boje im je nula. Kao što su pozitivni proton i negativni elektron zajednički neutralni, ukupni električni naboj im je nula.
Priznajem da okolišam: govorim općenito kvantnoj kromodinamici, a izbjegavam taj "jedan problem" iz područja kvantne kromodinamike čije rješenje bi mogli biti aksioni. Problem se odnosi na očuvanje jedne simetrije koja u fizici elementarnih čestica općenito nije očuvana, ali u okviru kvantne kromodinamike jest očuvana. Radi se CP-simetriji. C dolazi od konjugacije električnog naboja (engl. charge), zamjene pozitivno-negativno. P dolazi od pariteta, to je zamjena jedne prostorne koordinate što je neka vrsta zrcalne simetrije. Općenito su simetrije u prirodi povezane sa zakonima očuvanja. A zakoni očuvanja su najtemeljniji prirodni zakoni. Da skratim priču, radi se o važnim pitanjima. Nisu aksioni postulirani iz dosade.
Još jedna zabavna digresija: kako su aksioni dobili ime. Američki fizičar, nobelovac, Frank Wilczek, taj je naziv preuzeo od marke jednog sredstva za čišćenje. Naime, naziv završava na "on", kao kod većine čestica: proton, elektron, neutron, pion, mion, gluon, foton. S druge strane, smatrao je Wilczek, svojim postojanjem ta bi čestica "počistila" problem jake CP-simetrije.
.
XENON
Eksperimenti kojima bi se opazio aksion provode se već 40 godina. Na jednom od takvih eksperimenata, na CERN-u, radili su i neki fizičari s Instituta Ruđer Bošković u Zagrebu. Bio je to eksperiment CAST (CERN Axion Solar Telescope). Tragao je za aksionima koji bi, prema predviđanjima, trebali u ogromnom broju nastajati na Suncu. CAST nije dao potvrdu postojanja aksiona, ali je postavio gornju granicu njihove mase. Usput, ta je masa jako mala, vjerojatno milijardu puta manja od mase elektrona.
Eksperiment čiji su nedavni rezultati bili povod za ovaj tekst je XENON. Izgrađen je u najvećem podzemnom istraživačkom centru na svijetu, talijanskom Nacionalnom laboratoriju Gran Sasso. Tamo su smješteni i brojni drugi eksperimenti. Na nekima od njih rade i hrvatski fizičari iz Zagreba. XENON nije akronim. Naziv je dobio po kemijskom elementu iz grupe plemenitih plinova, ksenonu, koji je glavni materijal detektora.
Tekući ksenon je medij u kojem se eventualno događa interakcija aksiona (ili pak čestice zvane WIMP) s atomom ksenona. Produkti interakcije su elektroni koji se, u električnom polju, gibaju kroz medij pa izazivaju emisiju fotona koji se pak detektiraju fotodetektorima smještenima iznad ksenona. Detektorski medij je pažljivo izoliran od okoline, a signal koji bi proizveo aksion ili WIMP mora imati određene karakteristike koje proizlaze iz teorije. Eksperiment mora biti smješten duboko pod zemljom da signal ne bi stvorile neke druge čestice, primjerice mioni nastali interakcijom kozmičkog zračenja s atmosferom.
.
Tamna tvar
Premda su aksioni izvorno bili uvedeni kao moguće rješenje problema jake CP-simetrije, kasnije su bili prepoznati kao jedan od mogućih kandidata za tamnu tvar. Jedan od teoretičara koji je među prvima aksione stavio u astrofizički kontekst bio je, ranije spomenuti Wilczek (onaj kojeg je žena poslala u supermarket po deterdžent). Sličan kandidat za tamnu tvar je, također ranije spomenuti, WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, slabo međudjelujuća masivna čestica), opet hipotetska čestica koju bi, ako uopće postoji, isto mogao detektirati eksperiment XENON.
XENON je, u svakom slučaju, posvećen izravnoj detekciji čestica koje su potencijalni kandidati za tamnu tvar. U funkciji je od 2006. godine, u verziji XENON10, koja je imala 15 kg tekućeg ksenona. S obzirom da traga za rijetkim događajima onda je količina detektorskog materijala bitna. Veći detektor, veća osjetljivost, što znači veća vjerojatnost da se u jedinici vremena detektira tražena čestica. Zato je od 2008. proradio XENON100 sa 165 kg tekućeg ksenona, a od 2014. XENON1T s 3,2 tone tekućeg ksenona. Taj zadnji detektor prikupio je, do lipnja 2020. godine, dovoljan broj događaja iznad razine šuma da se može pozdano tvrditi (statističkim jezikom: signifikantnost je 3,5 sigma) da postoji signal. Najvjerojatnije je da taj signal dolazi od aksiona sa Sunca. No, zasad su u igri još dva objašnjenja s nešto manjom signifikantnošću: neutrini s velikim magnetskim momentom (što bi isto bilo zanimljivo otkriće) i zagađenje detektora tricijem (što bi bilo razočaravajuće "otkriće"). Detalji ove studije mogu se naći u članku Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T dostupnom u bazi arXiv.org.