FOTO: CERN
U fizici, ako želite otkriti neku česticu, odnosno ako želite dokazati njezino postojanje, prije svega trebate znati neka njezina svojstva za kojima biste mogli tragati. Primjerice, kada se tražio Higgsov bozon, jedna od najvažnijih stvari koju je trebalo odrediti bio je raspon u kojem bi se mogla kretati njegova masa. Trebalo je znati da će se tražiti u području koje će se protezati od toliko GeV do onoliko GeV. U protivnom potraga u previše širokom rasponu mogla bi trajati desetljećima.
Aksioni – čestice tamne tvari
Prema teoriji tamna tvar ne zrači niti emitira svjetlost tako da se ne može izravno opažati. Zato se i zove tamna tvar. Ideja o njezinu postojanju temelji se na zabilježenom djelovanju njezine gravitacije. Naime, znanstvenici su izračunali da u galaksijama nema ni približno dovoljno normalne, vidljive tvari da se objasni golema količina gravitacijske sile koja sve zvijezde drži na okupu unatoč njihovoj brzoj rotaciji. Na temelju promatranja procjenjuje se da bi u svemiru moglo biti čak šest puta više tamne tvari nego vidljive.
No do danas još nitko nije objasnio što bi tamna tvar trebala biti, odnosno od čega bi se trebala sastojati. Neki smatraju da bi je mogle sačinjavati relativno malobrojne teške čestice, a drugi vrlo mnogobrojne lagane. Potraga za teškim česticama u akceleratorima i podzemnim detektorima za sada nije dala nikakve rezultate. To je lagane, gotovo bezmasne čestice, aksione, učinilo značajno vjerojatnijim kandidatima.
Prema procjenama fizičara gustoća tamne tvari u našoj galaksiji takva je da bi aksiona trebalo biti oko 10 trilijuna u prostornom centimetru.
Dr. sc. Biljana Lakić s Instituta Ruđer Bošković, koja je sudjelovala u novom istraživanju, kaže da se takva procjena temelji na ideji da su aksioni tzv. hladna tamna tvar nastala u ranom svemiru te da se nalaze u halou, odnosno aureolu galaksija.
„Pritom se pretpostavlja da aksioni čine cjelokupnu tamnu tvar svemira, no vrlo je moguće da se ona u biti sastoji od različitih tipova čestica. U eksperimentu CAST mi do sada nismo tragali za aksionima nastalim u ranom svemiru već za onima koji bi mogli nastajati u Suncu. Njihov broj ovisi o konstanti vezanja aksiona s fotonima, koja je još uvijek nepoznanica. Sada preciznije znamo tek gornju granicu te konstante“, pojasnila je.
Na sličan način nepoznata je i masa aksiona.
„Kozmološka promatranja pokazuju da bi morala biti manja od 1 eV. Za usporedbu, elektron ima masu 511.000 eV. No ona može biti i puno redova veličine manja, gotovo nula, ali ne potpuno jednaka nuli“, kaže Lakić.
Aksioni – 'deterdžent' za probleme
Postojanje aksiona pretpostavljeno je još 1977. godine kao rješenje jednog važnog neslaganja između teorije i eksperimenta u području jakih međudjelovanja elementarnih čestica. Taj problem naziva se "jaki CP problem".
Za razumijevanje CP problema potrebno je dobro predznanje u fizici. No pojednostavnjeno govoreći CP-simetrija je simetrija zakona fizike s obzirom na zajedničku promjenu naboja i parnosti odnosno zahtjev da se fizikalni procesi odvijaju jednako u našem svijetu i u svijetu koji bi se dobio od njega uzastopnom primjenom prostornog zrcaljenja i zamjenom čestica antičesticama. Odstupanje od te simetrije, tzv. CP-narušenost, jedan je od preduvjeta za stvaranje viška materije u odnosu na antimateriju u svemiru, a time i preduvjet našega postojanja. Drugim riječima, da nema CP-narušenosti, ne bi bilo ni viška materije u odnosu na antimateriju; sva materija bi se poništila u srazu s antimaterijom te ne bi bilo tvari od koje su izgrađena tijela poput zvijezda, planeta i galaksija.
Zanimljivo je da su aksioni ime dobili po deterdžentu.
„Koliko mi je poznato, prašak Axion i dan danas postoji, barem u Americi. Po njemu ih je nazvao nobelovac Frank Wilczek uz objašnjenje da 'aksioni uklanjaju jaki CP problem kao što deterdžent uklanja mrlje s odjeće'“, pojasnila je za Index Lakić.
Aksioni iz Sunca
Znanstvenici vjeruju da bi se aksioni, ako uistinu postoje, u velikim količinama trebali stvarati u središtima zvijezda kao što je naše Sunce. Ovu pretpostavku istražuje eksperiment poznat kao CERN Axion Solar Telescope (CAST). Njegov snažan magnet usmjeren prema Suncu trebao bi moći aksione pretvarati u fotone rendgenskih zraka koji bi se mogli lako otkrivati detektorima. CAST još od 2003. godine traga za Sunčevim aksionima i sličnim česticama koje bi mogle nastajati u međudjelovanjima parova fotona.
Mjerenjima opisanim u članku „New CAST Limit on the Axion-Photon Interaction“ postavljene su do sada najstrože granice na jakost vezanja ovih aksiona s fotonima na 0.66 × 10^−10 GeV^−1, a ovaj rezultat postavlja važne smjernice i ograničenja za buduće eksperimentalne potrage. Drugim riječima rezultat značajno sužava područje potrage za aksionima.
Unatoč tome teško je predvidjeti kada bi se aksioni eventualno mogli pronaći.
„Kao i kod većine novih otkrića, to je stvarno jako teško predvidjeti. Budući da već postoje eksperimenti poput CAST-a koji istražuju dozvoljeno područje, moguće je da će to biti vrlo brzo. No možda će ih moći otkriti tek buduće generacije eksperimenata u roku od desetak godina. Npr. budući eksperiment IAXO, u koji smo također vrlo aktivno uključeni od početka, imat će isti princip rada kao CAST s time da će sve biti puno veće, jače i bolje pa će tako i osjetljivost eksperimenta biti jako povećana. Konačno postoji mogućnost da se aksioni nikad ne pronađu. Ona se mora uzeti u obzir kada je riječ o hipotetskim česticama“, kaže naša fizičarka.
Uz sve navedeno, s ovim novim rezultatom CAST je došao do praga područja koje je s astrofizičkog gledišta jako zanimljivo za tumačenje nekih anomalija koje zbunjuju znanstvenike kao što je npr. neočekivano brzo hlađenje nekih tipova zvijezda i prevelika prozirnost svemira na gama zrake vrlo visokih energija. Postojanje aksiona s određenim svojstvima moglo bi objasniti i te anomalije.
Naši ljudi u lovu na aksione
Eksperiment CAST najosjetljiviji je eksperiment ovog tipa na svijetu, a u njemu sudjeluje 70-tak znanstvenika iz 13 zemalja. Znanstvenici Instituta Ruđer Bošković dr. sc. Krešimir Jakovčić, dr. sc. Milica Krčmar, dr. sc. Biljana Lakić i dr. sc. Ante Ljubičić iz Laboratorija za fiziku visokih energija u eksperimentu CAST sudjeluju od samog početka, a radili su na dizajniranju, sastavljanju i ispitivanjima TPC detektora (Time Projection Chamber) za otkrivanje fotona.
Članovi grupe također su radili ključne proračune o utjecaju različitih fizikalnih fenomena na osjetljivost eksperimenta. Pored toga, predložili su i proveli nekoliko istraživanja kojima je proširen glavni program istraživanja eksperimenta CAST, kao npr. potragu za aksionima koji bi mogli biti emitirani iz jezgri 57Fe u Suncu. Tijekom čitavog trajanja eksperimenta članovi grupe sudjeluju u prikupljanju i analizi podataka, a od 2005. godine dr. Lakić obnaša dužnost koordinatorice za prikupljanje podataka. U eksperimentu su sudjelovali i fizičari sa Sveučilišta u Rijeci, Marin Karuza i Nenad Kralj.