Balta nedir? Akson bulmada ilginç deneyler öğrenmenize izin verin
1. Aksyonun kökeni
Doğada birçok madde vardır ve hepsi çeşitli atom ve moleküllerden oluşur; atomlar ise protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi daha temel parçacıklardan oluşur. Ayrıca güneşin ürettiği ışık, mıknatısların ürettiği manyetik alan vb. Gibi fiziksel olmayan bu alanlar da evreni oluşturan maddelerdir. Öyleyse, evrende kaç temel madde birimi vardır? Önceden belirtildiği üzere, Atomlar daha küçük protonlara, nötronlara ve elektronlara bölünebilir, bu parçacıklar daha da alt bölümlere ayrılabilir mi?
Aksyon hayali bir parçacıktır Teorik olarak diğer maddelerle etkileşimi çok zayıf ve kütlesi çok küçük olduğundan (eğer varsa) gözlemlemek zordur.
Bu problemler onlarca yıl önce fizikçiler tarafından dikkatle incelenmiş ve olası tüm temel parçacıkları tahmin eden, toplam 61 tür olan Standart Model adlı bir teori ortaya atmışlardır. Bu model, yerçekiminin yanı sıra diğer üç temel kuvveti de içeriyor ve tahmin edilen parçacıkları birbiri ardına yapılan deneylerle, özellikle de Higgs bozonunun 13 yılda keşfi ile doğrulandı ve Standart Modelin eşi benzeri görülmemiş bir başarısı oldu. Şu anda, evrensellik teorisine en yakın evrensel model. Öyle olsa bile, standart modelin yanıtlanmamış olgusu vardır, örneğin içinde Trino salınımı, karanlık maddenin kaynağı , Ve artıları ve eksileri dengesizliği gibi konular. Bunlar arasında son iki soru bu makalede tanıtılacak eksenle ilgilidir.
Karanlık madde, evrende var olabilecek görünmez bir maddedir.Elektromanyetik etkileşimlere neredeyse hiç katılmaz ve yalnızca kütleçekimsel etkiler gösterir. Mevcut deneyler ve teorik analizlerle birlikte karanlık madde, evrenin toplam kütlesinin yaklaşık% 85'ini oluşturur.
Standart modeli doğrulamak için hadron çarpışma deneyinin veri grafiği
temel parçacık
Karanlık maddenin birçok aday parçacığı vardır ve hiçbiri Standart Modele dahil edilmemiştir, bu yüzden keşfedildiğinde, fizikte başka bir kilometre taşı olacaktır. Aday yeni parçacıklar arasında en popüler olanı Büyük Zayıf Etkileşen Parçacıklardır (WIMP) ve daha olası bir başka parçacık daha vardır. Axion .
Evrenin küçük bir alanındaki karanlık maddenin dağılım haritası
Axion, başlangıçta karanlık madde problemini çözmek için önerilmemişti. Fikir, kuantum kromatik dinamiklerini çözmek için orijinal olarak teorik fizikçiler Roberto Peccei ve Helen Quinn'den geldi. Peccei-Quinn teorisi, öğrenmedeki güçlü CP problemine dayanmaktadır. Yük-parite simetrisini ihlal eden etkinin büyüklüğünü karakterize etmek için yeni bir dinamik skaler alan tanıttılar.Bu alan, simetrinin korunmasını sağlamak ve güçlü CP'yi çözmek için doğal olarak son derece küçük parametre değerleri verebilir. sorun. Daha sonra Nobel Ödülü kazanan Frank Wilczek ve Steven Weinberg, bunun Wilczek tarafından "axion" olarak adlandırılan yeni bir tür parçacığı tanıtacağına dikkat çekti. .
Güçlü CP problemi (güçlü CP problemi), kuantum kromodinamiğinde (QCD) ortak yük simetrisinin (C) -parite (P) neden korunduğuyla ilgilidir.En doğal ve zarif cevap şudur: Aksonları içeren Peccei-Quinn teorisi.
Yük C, parite P ve bunların eklem simetrisi CP'nin şematik diyagramı
Aksonun tanıtımı esasen çok zayıf olacağını ve dolayısıyla çok zayıf bir CP kırılmasının karakterize edileceğini ummaktadır.Bu gereklilik teorik olarak bu parçacık ile diğer parçacıklar arasında neredeyse hiç etkileşime yol açmaz ve kütle, bir elektronun kütlesi civarında çok küçüktür. 10-11 ~ 10-9 mertebesinde, bu nedenle önceki deneylerde hiçbir koşul gözlenmedi. Ancak bu, Axion'u karanlık madde için ideal bir aday yapar, çünkü bu özellikler aynı zamanda karanlık madde için de gereklidir.
2. Parçacık fiziğinde akson bulmak için ilginç deney
Aksonların birleştirme etkisi çok zayıf olsa da, aksonlar dahil edildiğinde, sıradan elektromanyetik etkileşim ilginç hale gelir. Başlangıçta, statik elektrik alan ve statik manyetik alan birbiriyle ilişkili değildir, ancak akson elektrik alanını ve manyetik alanı bir açıyla döndürür ve ardından birbiriyle karışır ve akson alanının kendisi elektrik alanı ile manyetik alan arasındaki bağlantıyı temsil eder. . Bu şekilde, statik manyetik alan yük oluşturabilir ve elektrostatik alan, manyetik alanı oluşturmak için ek akım oluşturabilir. Sadece bu da değil, Aksonlar ve fotonlar da güçlü bir elektromanyetik ortamda etkileşime girecek Karşılıklı dönüşüm, bir dizi ilginç fenomen meydana gelir.
Bükülmüş bir elektromanyetik alanın şematik diyagramı
İşte ilk deney- Duvardan geç (LSW) .
Flaş duvar deneyinin basit kurulum şeması
Duvardan geçen flaş ışığı (LSW) deneyi teoride çok basittir, çünkü fotonlar ve aksonlar güçlü bir manyetik alan altında birbirlerine dönüştürülebilirler, bu nedenle lazer güçlü bir manyetik alandan geçtiğinde belli bir olasılıkla aksonlara dönüşür ve aksonlar temelde sıradan maddeyle oluşmaz. Etkileşim herhangi bir engel olmadan duvara nüfuz edebilir Duvarın arkasındaki güçlü manyetik alanı geçtikten sonra, aksonlar dedektör tarafından yakalanmak üzere tekrar fotonlara dönüştürülür. Teoride çok basit olmasına rağmen, aksonların ve fotonların son derece düşük dönüşüm oranları göz önüne alındığında, bu deneyin uygulanması hala oldukça zordur. Bir yandan, son derece güçlü manyetik alanlar üreten yüksek güçlü lazerler ve büyük mıknatıslara ihtiyaç duyulurken, diğer yandan da özellikle hassas dedektörlere ihtiyaç duyarlar.Bu koşullar deney ekipmanını çok büyük hale getirir. Alman Elektron Hızlandırıcısı (DESY) Araştırma Merkezindeki ALPS cihazı, bu tür zayıf etkileşimli parçacıkları bulmak için yapıldı. Yukarıdaki diyagramla karşılaştırıldığında, bu bir devdir.
ALPS büyük ölçekli deneysel cihaz (Aşama I)
Deneysel cihazın ilk aşaması, 2007'den 2010'a kadar akson gibi parçacıkların sınırlarının varlığını gösteren bazı deneysel sonuçlar verdi.LSW deneyini daha da yürütmek için bilim adamları, 2013'ten beri ALPS II faz II cihazını tasarladı ve inşa etti. , Parametreler cihazın ilk aşamasına göre çok daha iyi ... Duvarlardan çakma fikrine daha güçlü deneysel destek sağlayan bu cihazda akson gibi parçacıkların izlerinin tespit edilebilmesi bekleniyor.
ALPS II büyük ölçekli deneysel cihaz (Faz II)
İkinci deney - Axion Güneş Gözlüğü .
Teleskop, 17. yüzyılda fizikçiler ve astronomlar tarafından güneşi gözlemlemek ve güneş lekelerini incelemek için kullanılan bir teleskoptur. İlk mucitler ve kullanıcılar arasında cihazın yapısını eserlerinden birinde çizen Cizvit rahibi Christopher Scheiner (Christopher Scheiner) ve tanıdığımız gökbilimci Galileo da onu değiştirdi. Matematikçi arkadaşı Benedetto Castelli, benzer bir yapıya sahip bir güneş teleskopu oluşturmak için bir cihaz kullandı. Teleskobun prensibi, teleskobu karanlık bir odaya yerleştirmek, yalnızca mercekteki deliği güneşi hedeflemek için açmak ve ardından ortaya çıkan görüntüyü beyaz kağıda yansıtmaktır. Böylelikle hem Scheiner hem de Galileo güneş lekelerini açıkça gördüler ve teleskopun üstünlüğünü gösteren araştırmalar yaptılar.
Christopher Scheiner'in eserlerindeki güneş gözlüğü
Modern zamanlarda insanlar, güneşin "siyah" bilinmeyen kısmını, ekseni bulmak için modern helyostatlar tasarladı ve üretti. Peki aksonları ölçen bir heliostat neye benziyor?
Önceki deney 1'de belirtildiği gibi, fotonlar güçlü bir manyetik alan altında aksonlara dönüştürülecek, bu nedenle aksonlar oluşturmak için yüksek güçlü lazerlere ve güçlü manyetik alan cihazlarına ihtiyacımız var. Güneş için, iç güçlü elektromanyetik ortamı doğal bir akson üretecidir, özellikle güneşin çekirdeğinden geçer. Puri Markov etkisi (Primakoff etkisi) yeterli akson ışını akımı üretir. Bu nedenle, yeryüzünde, akson sinyalini ölçebilmek için onu fotonlara dönüştürmek için yalnızca güçlü bir manyetik alan kullanmamız gerekir.
Güneş akson algılama yöntemi
Şu anda mevcut olan en hassas akson helyostatı, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nin (CERN) CAST cihazıdır. Cihaz her gün gün doğumu ve günbatımında 1,5 saat ölçüm alacak ve kalan 21 saat, arka plan sinyallerini ölçmek için güneş dışındaki alanlara yönelik olacaktır. Şimdiye kadar CAST, güneş aksonlarının varlığına dair kritik bir kanıt bulamadı, ancak kapsamı çok daralttı. Daha hassas ölçümler yapabilmek için CAST'a dayalı yeni bir proje hazırlanmaktadır.Adı Uluslararası Axon Gözlemevi IAXO'dur.
CERN'deki CAST cihazı
IAXO cihaz şematik diyagramı
Bunlara ek olarak, aksonları bulmak için birçok deney vardır.İlkeler farklıdır ve deneysel cihazlar da farklıdır. Örneğin, Akson teleskopu (Axion haloskop) ADMX deneyi, spin presesyonu kullanan CASPEr deneyi, MIT'nin ABRACADABRA deneyi, PANDAX ve Çin, Sichuan'daki Jinping Mountain'ın CDEX deneyi.
ADMX deneyi için akson teleskopunun şematik diyagramı
Elbette, daha önce de belirtildiği gibi, aksonlar sadece karanlık maddeyle değil, aynı zamanda evrendeki madde ve maddenin dengesizliği meselesiyle de ilgilidir. 2020'deki en son Physics Review Letters'da (PRL), Axiogenesis adlı bir makale, Big Bang'in başlangıcında, akson alanının dönmesinin pozitif ve negatif madde dengesizliğine neden olduğuna işaret etti. Evrilen evrende, antimaddeden çok daha fazla madde vardır, yani her şey akson alanından kaynaklanır.
Potansiyel işlevi bir Meksika şapkasının şekli gibidir Küçük topun hareketi akson alanının evrimini temsil eder ve son konumu, evrenin mevcut durumunu belirler.
Tıpkı yukarıdaki şekilde tasvir edilen durum gibi, akson alanının durumunu belirleyen işlev sadece bir Meksika şapkası gibi değil, aynı zamanda kenarı da kavisli bir şekle sahip, bu da akson alanında sadece evrimi sırasında kendiliğinden simetri kırılmasına neden olmuyor. Ayrıca son duruma belirli bir dönüş yönünde yaklaşacaktır, bu nedenle bu süreçte akson, yeni parçacıklar üretmek için fazla enerjiyi aktaracaktır. Daha da şaşırtıcı olan, dönme yönü sabit olduğu için, bir yönde dönüş, parçacık formülünün diğer yönde (yani, antimadde) negatif yerine pozitif (yani, pozitif madde) görünmesine neden olacaktır. Sonra bu süreç olumlu ve olumsuz madde dengesizliğini verir. . Bu varsayım doğruysa, Higgs bozonu ile ilgili ağır bir parçacık olacaktır ve LHC'nin (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) yükseltilmiş bir versiyonu tarafından tespit edilebilir. Aksiyon konusuna geri dönersek, bu makalenin İngilizcesi Axiogenesis'tir, bu sadece axion'un kökeninin anlamını temsil etmekle kalmaz, aynı zamanda genesisin de bir genesis anlamı vardır.Eğer gerçekten makalede anlatıldığı gibiyse, şimdi evrendeki her şey Aslında Axion alanının Big Bang sırasında ulaştığı yaratılıştır.Kendi varlığımız Axion'un varlığının en güçlü kanıtı haline geldi.Bu Axion'u bulmak için en ilginç ve beklenmedik deney değil mi?
Akson köken teorisi
3. Yoğun madde fiziğinde akson bulmak için ilginç deneyler
Akson elektromanyetik etkileşime katıldıktan sonra, aslında bir dizi yeni manyetoelektrik etkiye yol açan geleneksel Maxwell denklemlerini değiştirir. Yoğun madde fiziğinde, topolojinin tanıtımı aynı etkiyi yaratarak aksonlarla aynı etkiye neden olabilir. Bu eşdeğer ikame, aslında malzemenin momentum uzayında, malzemenin atomlarından oluşan küçük bir evren içinde aksonların varlığını buldu.
Topolojik manyetoelektrik etki
Bu durum, yoğunlaştırılmış madde fiziğinde sıradan bir durumdur ve fizikçiler Dirac fermiyonlarını, Weyl fermiyonlarını, Majorana fermiyonlarını ve skyrmionları dikkate almışlardır. Ve böylece, parçacık fiziğinde henüz keşfedilmemiş olan birçok parçacık da dahil olmak üzere, yoğunlaştırılmış madde sistemine parçacık kavramı getirildi. Bu nedenle, yoğun madde fiziği, aksonlar da dahil olmak üzere bu yeni parçacıkların araştırılması için başka bir aşama sağlar.
Weyl yarı metal durumu ve şaft yalıtkan durumu
Yoğun madde fiziğinde, aksonlar bir tür akson yalıtkanı olarak görünür ve ilgili malzemelerin içindeki elektronlar makroskopik iletkenlik göstermez. Nature dergisindeki bir makale, Weyl yarı metal (TaSe4) 2I'deki yük yoğunluğu dalgasının akson özellikleri sergilediğini tanıttı. Ek olarak, akson ve kuantum anormal Hall etkisi yakından ilişkilidir ve akson yalıtkanı ve kuantum anomalisi Hall yalıtkanı karşılıklı olarak dönüştürülebilir. Malzemedeki spin polarizasyonunu değiştirmek için bir manyetik alan uygulandığı sürece, sistemin topolojik durumu buna göre değişecek ve farklı topolojik özelliklere sahip iki yalıtım durumu arasında karşılıklı dönüşüm ile sonuçlanacaktır.
Kuantum anormal Hall izolatörü ve akson izolatörü ve bunların manyetik alan yoluyla karşılıklı dönüşüm süreci
Deneylerde, akson izolatörlerinin varlığı, manyetik katışkılarla katkılı topolojik izolatörlerin kompozit yapısında da bulundu. Yakın zamanda, Tsinghua Üniversitesi'nden Profesör Wang Yayu'nun araştırma grubu, yoğunlaştırılmış madde fiziğindeki akson fenomeni üzerine araştırmayı ilerleten manyetik topolojik yalıtkan malzeme MnBi2Te4'te güçlü bir akson yalıtkan durumu keşfetti.
Dört, sonuç
Akson kavramı, 1977'den günümüze neredeyse yarım yüzyıldır geliştirilmiştir.Bilim adamları, ister yüksek enerji fiziğinde gerçek aksonların araştırılması ister yoğun madde fiziğinde eşdeğer akson yalıtım durumlarının araştırılması olsun, bilim adamları önerdiler. Birçok beyin fırtınası fikri vardı ve ayrıca birçok ilginç deney yaptı. Herkesin aksonun büyülü kavramını tam olarak anladığına inanıyorum, eğer bir gün akson keşfedilirse, bilimin gerçekten sınırsız imkanlara sahip olduğunu ispatlayacaktır. Ve içinde her zaman ilginç fizik bulabiliriz ve böylece sonsuz mutluluk elde edebiliriz.
Referanslar
Peccei, Roberto D .; Quinn, Helen R. CP, Pseudoparticles Varlığında Koruma. Physical Review Letters. 38 (25): 14401443. (1977)
Raymond T. Co ve Keisuke Harigaya. Axiogenesis. Phys. Rev. Lett. 124, 111602. (2020)
Gooth, J., Bradlyn, B., Honnali, S. ve diğerleri. Weyl yarı metalinde (TaSe4) 2I. Doğa 575, 315319 (2019)
Liu, C., Wang, Y., Li, H. et al.
Fizik Enstitüsü öğretmenlerinden ve öğrencilerinden orijinal katkılar
Eser sahibi: Cioran
Yorumcu: Liu Guangtong
Enstitüdeki öğretmenler ve öğrenciler, "Fizik Enstitüsünün Çevrimiçi Ofis Platformu" aracılığıyla makale gönderebilirler! Yöntem şu şekildedir: "ofis platformu" "çalışma salonu" "Genel Ofis İşleri" "Bilim Makalesi Gönderme" şeklinde oturum açın.
Editör: Kun
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. Fizik yasaları size şunu söylüyor: İtiraf çok büyük bir kayıp olabilir ve ayrıldıktan sonra kan kazanmanız gerekir
2. Şok! Dün diktiğiniz süpürge NASA'yı gerçekten endişelendirdi
3. Alkol ve 84 dezenfektan birlikte kullanılabilir mi?
4. Tek kullanımlık tıbbi maskeler nasıl yapılır? Nasıl dezenfekte edilir?
5. Matematik eğlencelidir Bu dev takım, matematik ve fen alanlarında bir grup doktorla birlikte sahayı taradı.
6. "Sıcaklık ölçme tabancası" sıcaklığınızı nasıl ölçer?
7. 0 derece su ile 100 derece su karıştırılarak 50 derece su elde edilebilir mi?
8. İnsanlar neden öpüşmeyi sever?
9. Virüs nereden geliyor?
10. İlk görüşte aşk güvenilir midir?
