Co może mieć wspólnego znany swego czasu w Ameryce proszek do prania ze światem fizyki? Oczywiście oprócz tego, że dzięki nauce tego typu produkty powstają. Dzięki fizykowi teoretykowi Frankowi Wilczkowi teoretycznie przewidywane cząstki otrzymały nazwę od tego produktu w jednym zasadniczy celu. Miałyby oczyścić fizykę cząstek z problemów związanych z łamaniem przez naturę symetrii CP. Jak się okazuje sprawa jest dość poważna i daleko idąca w skutkach. Ale zacznijmy od początku.
Co to takiego ta symetria CP? Układ fizyczny może zostać poddany różnym przekształceniom. I tak przekształcenie C zamienia ładunek, czyli zamienia cząstkę w odpowiadającą antycząstkę. Natomiast przekształcenie P jest operacją lustrzanego odbicia. Złożenie tych przekształceń daje ciekawy efekt symetrii. Jeśli kwark zmienimy na atykwark i spojrzymy w lustro powinniśmy zobaczyć to samo co przed przekształceniem – wtedy zachowana jest symetria CP.
W zasadzie symetria ta jest zachowana we wszystkich układach fizycznych. W zasadzie! Bo q 1964 roku James Cronin i Val Fitach badając rzadkie rozpady cząstek Mezonów K (kaonów) zaobserwowali coś innego. Kaony to cząstki zbudowane z dwóch kwarków. Nasze teorie przewidują że jeśli CP jest zachowana to kaon powinien istnieć w dwóch formach. Długożyjącej – rozpadającej się na trzy piony (inne cząstki elementarne) i krótkożyjącej rozpadającej się na dwa piony. Fizycy ci zauważyli jednak że raz na 500 rozpadów dochodzi do rozpdu formy długożyjącej na dwa piony. Czyli symetria CP nie jest zachowana. Jest to tak ważne, że w 1980 otrzymali oni Nagrodę Nobla.
Chromodynamika kwantowa opisuje przenoszenie oddziaływań silnych między kwarkami i antykwarkami i w teorii tej nie jest łamana symetria CP. Aby zlikwidować tę różnicę między teoria a doświadczeniem wymyślono nowe cząstki – Aksjony.
Niestety nikt tych cząstek nie widział do tej pory, choć w kilku doświadczeniach mamy niejednoznaczne wyniki. Choć dzięki nim – Aksjonom – można wyjaśnić bardzo wiele dręczących problemów nie tylko w fizyce cząstek ale nawet w kosmologii. We wszechświecie jest pięć razy więcej materii niż ta która widzimy – barionowa. Są to jedni z kandydatów na składniki tej niewidocznej materii.
Co w nich jest takiego ciekawego?
Próżnia nie jest próżnią. Tak mówi fizyka kwantowa. Uśredniona energia próżni jest co prawda równa zeru, ale dzieje się tam wiele ciekawych zjawisk. Podlega ona lokalnym fluktuacjom w wyniku czego powstają spontanicznie pary cząstka-antycząstka. Równie spontanicznie anihilują i znikają. Ale gdy pojawi się pole magnetyczne sprawy mają się już inaczej. Oddziaływanie tych cząstek z par z polem magnetycznym powoduje – zapewne - że fala świetlna przechodząca przez ten obszar ulega skręceniu. Dużo powiedziane. Skręcenie jest jak na nasze codzienne warunki minimalne, ale w fizyce wszystko musi grać do każdego miejsca po przecinku. Skręcenie jest rzędu dziesięciomilionowej stopnia przy przejściu wiązki lasera tam i z powrotem 44 tysięcy razy.
Winne byłyby temu Aksjony powstające z fotonów i powodujące skręcenie płaszczyzny polaryzacji wiązki. Eksperyment ten przeprowadzono we Włoszech w ośrodku INFN. Inny eksperyment w niemieckim DESY polegał na obserwacji światła laserowego przez ścianę. Tak, tak, przez ścianę. Wiązka w silnym polu magnetycznym miałaby wytworzyć Aksjony. Ściana zatrzymuje promień lasera, ale aksonów nie. One to słabo oddziaływując z materią za ścianą miałyby, po przejściu ponownie przez silne pole magnetyczne, być obserwowane na ekranie. Niestety być może aparatura jest jeszcze za mało czuła.
Aksjony sa jednak potrzebne i fizykom cząstek i kosmologom. Dzięki nim można wyjaśnić zmniejszenie natężenia światła gwiazd supernowych z odległych obszarów kosmosu. Po prostu część fotonów oddziaływując z polem magnetycznym zmienia się w Aksjony i powrotem. Pociemnienie takich gwiazd nie oznacza więc, że wszechświat przyśpiesza w swoim pęcznieniu – czyli gwiazdy znajdują się dalej niż powinny – tylko światło jest przez Aksjony słabsze. Część tego światła od supernowych widzimy w postaci Aksjonów a nie fotonów. A co za tym idzie wszechświat nie przyśpiesza tak bardzo jak nam się wydaje.
Jak długo przyjdzie nam jeszcze czekać na zmianę statusu Aksjonów, nie wiadomo.
