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アクシオンは物理学における別の主要な問題を解決する


物理学者は長い間、2 つの謎を単独で解決できるアクシオンと呼ばれる極小粒子の存在を仮定してきました。それは、陽子と中性子内の素粒子であるクォークの不可解な性質を説明することができ、宇宙を満たす暗黒物質を構成する可能性があります.さて、今週 Physical Review Letters に掲載される論文の著者は、 アクシオンが 3 番目の鳥をも殺す希少な石である可能性があることを示しています — なぜ宇宙には反物質よりもはるかに多くの物質があるのか​​という問題.

ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の物理学者で、ミシガン大学の Raymond Co と共同研究を行った Harigaya Keisuke 氏は、次のように述べています。

カリフォルニア大学サンタクルーズ校を拠点とするアクシオンの主要な専門家である物理学者のマイケル・ダインは、コーとハリガヤの論文を「確かに興味深い提案」と呼び、「宇宙論においてアクシオンが重要ではない方法を示唆している」と述べた。私の知識では、以前に検討されました。」

アクシオジェネシスと呼ばれる新しいアイデアは、アクシオンの実験的検索をさらに動機付ける可能性があります。ワシントン大学での ADMX 実験を含むこれらのいくつかは既に進行中であり、他のものは世界中の研究室で計画中または建設中です。

この粒子のアイデアは、1977 年に物理学者のロベルト ペッチェイとヘレン クインの研究から生まれました。クインは、1977 年にすべての空間に浸透するエネルギー場を思い描いていました。彼らは、このエネルギー場が「強力な CP 問題」を解決することを示しました。これは、おそらく誰も知らない自然の最大の謎です。この問題は、鏡に映る反クォークに影響を与えるのとまったく同じように、なぜ強い核力がクォークに影響を与えるのかを問うものです。つまり、力が電荷パリティ (または CP) 対称性を尊重する理由です。問題は、強い力を表す式の特定の角度がゼロの値を持つ理由を尋ねることになります。角度 (θ、またはシータ) は 0 度から 360 度の範囲であり、クォークと鏡像反クォークとの差の度合いを表しています。弱い核力に関連する同様の角度は、約 43.5 度の値です。しかし、θ は 0.000000001 度未満であると測定されました。

Peccei と Quinn のフィールドにより、宇宙の誕生時に θ が自然にゼロになることができました。ノーベル賞を受賞した物理学者のフランク ウィルチェックとスティーブン ワインバーグは、フィールドに関連する粒子を研究しました。ウィルチェックは、洗濯用洗剤のブランドにちなんでアクシオンと名付けました。研究者たちは後に、目に見えないアクシオン粒子が、宇宙の 6 分の 5 が欠けている暗黒物質に適した特性を持っている可能性があることに気付きました。アクシオンは現在、暗黒物質の主要な候補の 1 つであり、強力な CP 問題に対する最もよく知られた解決策であり続けています。

しかし、宇宙の誕生から数秒後、θ がゼロに落ち着くまでの間に、もう 1 つの不思議なことが起こりました。それは、反物質粒子よりも多くの物質粒子が発生したことです。もしこれが起こらなかったら、同量の物質と反物質が互いに消滅し、私たちは存在しなかったでしょう.

Co と Harigaya は、数年前にカリフォルニア大学バークレー校の大学院生およびポスドク (それぞれ) として共同研究を始めたが、宇宙の誕生から数十億分の 1 秒後に、アクシオン場がその状態に落ち着くことを発見した。安定状態では、θ がゼロに直接落ちていない可能性があります。むしろ、途中で 0 度から 360 度の間を循環した可能性があります。これにより、アクシオン フィールドが回転し、反物質よりも過剰な物質が生成されます。

アクシオン場の回転が物質と反物質の非対称性をどのように説明できるかを理解するには、ワインボトルの底、またはペッチェイとクインが好んだように、つばが非常に高いメキシカンハットを想像してください。これは、アクシオン フィールドを定義する数学関数の形状です。 θ は帽子の周りの角度位置に対応し、帽子のクラウンまたは側面の高さはフィールド内のエネルギー量を反映します。

初期の宇宙でアクシオン場が理論的に発生したとき、その効果はビー玉がメキシカン ハットのつばに着地したようなものでした。ビー玉の位置は、フィールドのプロパティを反映しています。



当然のことながら、ビー玉は帽子の中心に向かってつばを転がり落ちます。 Peccei と Quinn の計算によると、帽子 (フィールドを定義する数学関数) は、ビー玉が角度 0 度の帽子の最下点に自然に落ち着くように傾けられることが示されました。 (ビー玉は、落ち着くにつれてこの最小値の周りで振動し、アクシオン暗黒物質を生成します。) メキシカン ハットはゼロの方向に傾きます。これは、このモデルでは、θ のその他の値がエネルギーを消費するためです。

新作では、Co と Harigaya は、帽子は Peccei と Quinn が思い描いたものとはまったく異なるものになるだろうと主張している. 1970 年代後半以降、研究者は他の分野からの情報を得ることなく、ほとんど孤立した状態で帽子を研究してきました。しかし Co と Harigaya は、自然界には完全な対称性や「全体的な」対称性は存在しない可能性があるという仮説を知っており、量子重力研究者によってますます支持されています。このため、アクシオン フィールドを定義する数学関数は、どこから見ても完全に同じには見えません。他の量子力と場がアクシオン場に影響を与え、帽子のつばが揺れたに違いありません。

このくねりはビー玉がつばの側面を転がり落ちたときに、θ =0 の位置で真っ直ぐ下に落ちないことを意味します。代わりに、ビー玉はくねりによって横に蹴られ、転がります。帽子の角座標 θ は 0 から 360 の間を循環します。フィールドが他の物質フィールドとの相互作用の形で摩擦を経験するにつれて、ビー玉の回転は徐々に遅くなります。アクシオン フィールドの運動エネルギーは、これらの他のフィールドに溢れ出し、粒子を発生させます。

ビー玉は一方向 (反時計回り) に回転し、反対方向には回転しなかったため、素粒子物理学の方程式にマイナス記号ではなくプラス記号が挿入され、対応する反物質の代わりに電子と電子様粒子が生成されます。この過剰な電子は、今日観測された莫大なクォーク余剰をもたらすでしょう。正しい回転方向と正しいサインを得るには、「運が良かったと言えます」と Co 氏は言います。 「しかし、逆の方向に進んだとしても、反物質ではなく自分自身を物質と呼んでいることがわかりました。」

Co と Harigaya が回転するアクシオン場と θ の周期的な進化について考えた後、「残りの部分はほぼ自動であることに気付きました」と Co は言いました。 「計算を行って、アクシオン回転からクォーク、物質と反物質の非対称性への転送速度がどれほど効率的であるかを確認します。」

Co と Harigaya の軸形成モデルは、ヒッグス粒子に関連する新しい粒子の存在を予測していますが、10 倍重いです。このような粒子は、アクシオン フィールドの原初の進化中にすべてを適切なタイミングで発生させるために必要です。 「暗黒物質と物質と反物質の非対称性の両方が、私たちが発見した新しいダイナミクスによって説明される必要がある場合、この新しいヒッグス様ボソンの存在は、実際には[確固たる]予測です。」

予測された粒子は、ヨーロッパのラージ ハドロン コライダーで発見するには大きすぎますが、2027 年に開始される予定の計画された高光度 LHC、または将来の高エネルギー粒子コライダーで垣間見えるかもしれません。

たとえ粒子が現れなくても、Co と Hariyaga のモデルのバリエーションにより、異なる予測が行われる可能性があります。 Dine 氏によると、回転するアクシオン フィールドは比較的単純なアイデアですが、関連する計算は複雑です。彼は次のように述べています。「私にとって新しいのは、この動きを徐々に最小限に抑えるだけでなく、アクシオンがこのメキシカン ハットの周りをむち打っている可能性と、それがもたらす可能性のある結果について考える必要があるというこの発言です。」

ダインは、新しい論文は「私自身の研究に確実に影響を与えるだろう」と述べ、アクシオンの運動が適切な量の暗黒物質を生成し、強力な CP 問題は、「または、代わりに、驚くべき偶然の一致を必要とする」 — 自然界では起こりそうにない速度と効果の微調整.

しかし、アクシオンのパイオニアであり、ストロング フォースに関する無関係な研究でノーベル賞を受賞した Wilczek は、Co と Harigaya のアクシオジェネシスの提案は非常に型破りで投機的であると考えています。 θ の値が変化するという考えは、「一見すると、アクシオンの方程式を満たさない」とウィルチェクは笑いながら認めたが、「彼らは、「まあ、アクシオンの方程式は完全ではないかもしれない」と言う. Wilczek は、Co と Harigaya がアクシオン ソンブレロの揺れを正当化するために使用する非大域対称性予想の説得力のある証拠を見ていないと述べた.

しかし、アクシオンが自然に関する 2 つまたは 3 つの主要なパズルを解決できる可能性があるかどうかについて、Wilczek 氏は次のように述べています。そして、これがそれを促進するなら、それはすべて良いことです。」



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