Cześciowo hipotetyczne cząstki zwane aksjonami poszukiwane są przez fizyków od dziesięcioleci, ponieważ stanowią one wiodącego kandydata na to, co stanowi ciemną materię. Ale możemy nie potrzebować nowych eksperymentów, aby znaleźć egzotyczne cząstki podobne do aksjonów – dowody na ich istnienie mogą być ukryte w danych z eksperymentów przeprowadzanych na zderzaczu cząstek, które już wykonaliśmy.
Zderzacze cząstek takie jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w laboratorium fizyki cząstek CERN w pobliżu Genewy, w Szwajcarii, odkrywają nowe cząstki, przyspieszając i zderzając ze sobą inne, które już dobrze rozumiemy, takie jak protony i jony, a następnie analizując powstałe szczątki. Teraz Gustavo Gil da Silveira z CERN i jego koledzy rozważają inną możliwość: jeśli proton lub jon wyemitują nową cząstkę w wyniku przyspieszenia w drodze do rozbicia się na kawałki, czy bylibyśmy w stanie to wykryć? Ich analiza sugeruje, że czasami moglibyśmy.
Aksjony zostały po raz pierwszy zaproponowane na początku lat siedemdziesiątych jako część rozwiązania jednego z największych problemów w fizyce: wyjaśnienie, dlaczego istnieje więcej materii niż antymaterii. Poszukiwania eksperymentalnych sygnatur aksjonów, które nastąpiły później, były dotychczas nieudane, ale podniosły możliwość istnienia innych cząstek podobnych do aksjonów. Ponieważ miałyby one bardzo małe masy, byłyby również podobne do cząstek światła, czyli fotonów, które są bezmasowe – i zostały z sukcesem zderzone ze sobą w LHC.
To zdarza się, gdy przyspieszone protony lub jony stają się tak energiczne, że zaczynają emitować fotony, gdy zbliżają się do siebie, a więc ich otaczające fotony również się zderzają. Badacze zamodelowali ten scenariusz, ale z cząstkami podobnymi do aksjonów zamiast fotonów. Ich obliczenia pokazały, że przyspieszające się protony emitowałyby więcej cząstek podobnych do aksjonów niż przyspieszające się jony, a oba emitowałyby również fotony w tym samym czasie. W konsekwencji zespół zidentyfikował zderzenia między protonami a jonami ołowiu jako dobre miejsce do poszukiwania wskazówek wskazujących na zderzenia aksjonów z fotonami. Dokładne to zderzenie – między protonami a jonami ołowiu – odbyło się w LHC w 2016 roku, a zespół sugeruje, że dane z tego eksperymentu mogą zawierać wskazówki na temat wcześniej przeoczonych, ale nowatorskich cząstek podobnych do aksjonów.
Lucian Harland-Lang z University College London mówi, że jest to interesujący i nowy sposób na znalezienie ograniczeń, które mogłyby istnieć dla nieodkrytych cząstek, ale implementacja mogłaby być trudna. „Tego rodzaju zdarzenia zderzeniowe nie zdarzają się zbyt często, a w takim przypadku musimy mieć pewność, że nie ma procesów tła, które mogłyby naśladować to, czego szukamy” – mówi.
Jeśli chodzi o stare dane z LHC, istnieją również trudności z dostępem do nich z powodu późniejszych zmian w oprogramowaniu, mówi da Silveira. Ale dodaje, że nadchodzące eksperymenty w LHC mogą być obiecujące. „Moglibyśmy dostroić detektory, aby znaleźć ten konkretny sygnał” – mówi.
Znalezienie sygnału cząstki podobnej do aksjonu nie byłoby tym samym, co znalezienie aksjonu, więc może to nie w pełni odpowiedzieć na jedno z największych otwartych pytań w fizyce. Jednak z pewnością prowadziłoby to do bogatszego spojrzenia na fizykę cząstek, rodząc pytania odnośnie tego, jak nowe cząstki oddziałują ze wszystkimi istniejącymi, do tego, czy mogłyby również odgrywać rolę w określeniu z czego jest zrobiona tajemnicza ciemna materia, która wypełnia nasz wszechświat.
Referencje: Physical Review Letters (w przygotowaniu)
