アクシオン

アクシオン（/ ˈ æ k s i ɒ n /）は、 1977年に量子色力学（ QCD）における強いCP問題を解決するために提唱されたペッチェイ-クイン理論のゴールドストーン粒子として、1978年にフランク・ウィルチェックとスティーブン・ワインバーグによって独立に理論化された仮説上の素粒子である。アクシオンが存在し、特定の範囲内で質量が低い場合、冷たい暗黒物質の可能性のある構成要素として注目されている。

ジェラルド・トホーフト^[2] が示したように、標準モデルであるQCDの強い相互作用は、CPとして総称される電荷​​共役とパリティの複合対称性の破れを原理的に許容する非自明な真空構造^{[a]を持っています。}弱い相互作用によって生成される効果とともに、有効周期的強いCP違反項Θは標準モデルの入力として現れます。その値は理論では予測されず、測定されなければなりません。しかし、QCDに起因する大きなCP違反相互作用は、中性子に大きな電気双極子モーメント（EDM）を引き起こします。観測されていないEDMに対する実験的制約は、QCDによるCP違反が極めて小さいはずであり、したがってΘ自体も極めて小さいはずであることを意味しています。Θは0から2πの間の任意の値を取ることができるため、標準モデルにとって「自然さ」の問題が生じます。なぜこのパラメータはゼロに非常に近いのでしょうか？ （あるいは、なぜQCDはCP保存性を持つのか？）この疑問は、強いCP問題と呼ばれる問題を構成します。^[b]

1977年、ロベルト・ペッチェイとヘレン・クインは、強いCP問題に対するよりエレガントな解決策、ペッチェイ・クイン機構を提唱した。そのアイデアは、Θを効果的に場に昇格させることである。これは、自発的に破れる新しいグローバル対称性（ペッチェイ・クイン（PQ）対称性と呼ばれる）を追加することで達成される。これにより、フランク・ウィルチェク^[5]とスティーブン・ワインバーグ[ ^{6]が独立に示したように、} Θの役割を果たす新しい粒子が生成され、CP対称性の破れのパラメータが自然にゼロに緩和される。ウィルチェクはこの新しい仮説上の粒子を、問題を「きれいにした」ことから洗濯用洗剤のブランドにちなんで「アクシオン」と名付けた。 ^{[7] [8]}一方、ワインバーグはそれを「ヒグレット」と呼んだ。ワインバーグは後に、ウィルチェクの粒子名を採用することに同意した。^[8]アクシオンは質量がゼロではないため、擬似南部-ゴールドストーンボソンである。^[9]

QCD効果は、アクシオン場が移動する有効な周期ポテンシャルを生成します。^[1]ポテンシャルをその最小値の1つについて展開すると、アクシオン質量とアクシオン崩壊定数の積がQCD真空の位相的感受率によって決定されることがわかります。質量が60 keVよりはるかに小さいアクシオンは寿命が長く、相互作用が弱いため、完全な暗黒物質候補です。

アクシオン場の有効ポテンシャルの最小値付近での振動、いわゆるミスアラインメント機構は、アクシオンの質量に依存した存在量を持つ冷たいアクシオンの宇宙的集団を生成する。^{[10] [11] [12]}質量が 5  μeV/ c ² （電子質量の10 ⁻¹¹倍）を超えると、アクシオンは暗黒物質を説明できるため、暗黒物質の候補であると同時に強い CP 問題の解決策にもなり得る。インフレーションが小規模で発生し、十分に長く続く場合、アクシオンの質量は 1 peV/ c ²まで低くなる可能性がある。^{[13] [14] [15]}

アクシオン場が進化を始めるシナリオは、次の 2 つの条件に応じて 2 つの異なるシナリオがあります。

大まかに言えば、次の 2 つのサブセクションで概説する 2 つのシナリオのいずれかが発生します。

(a) と (b) の両方が満たされる場合、宇宙のインフレーションは宇宙の 1 つの領域を選択し、その中で PQ 対称性の自発的な破れがアクシオン場の初期値の均一な値につながります。この「インフレーション前」のシナリオでは、トポロジカル欠陥はインフレーションによって除去され、アクシオンのエネルギー密度には寄与しません。ただし、等曲率モードから生じる他の境界は、このシナリオを厳しく制限し、比較的低いエネルギー規模のインフレーションが実行可能であることを必要とします。^{[16] [17] [18]}

条件 (a) または (b) の少なくとも 1 つが破られると、アクシオン場は、当初は因果関係にないが、今日ではハッブルの地平線で囲まれた体積を占めるパッチ内で異なる値を取ります。このシナリオでは、PQ 場の等曲率変動によってアクシオン場がランダム化され、パワー スペクトルに好ましい値はなくなります。

このシナリオでの適切な処理は、膨張宇宙におけるPQ場の運動方程式を数値的に解くことです。これにより、「アクシオン」ストリングやドメイン壁などの位相欠陥からの寄与を含む、不整合メカニズムから生じるすべての特徴を捉えることができます。アクシオンの質量推定値は、0.05〜1.50 meVであるとBorsanyiら（2016）によって報告されました。^{[19]この結果は、}インフレーション後の期間中のアクシオンの形成をスーパーコンピューターでシミュレートすることによって計算されました。^[20]

2010年代後半に数値シミュレーションを用いてKSVZ型アクシオンの現在の存在量を決定する研究が進み^、その値は0.02～0.1 meVと結論付けられたが^{[23] [24]、}これらの結果は弦から放出されるアクシオンのパワースペクトルの詳細によって疑問視されてきた^{[25] 。}

ウィルチェクとワインバーグによって最初に提案されたアクシオンモデルは、以前の実験ですでに検出されているほど強いアクシオン結合強度を選択しました。強いCP問題を解くためのペッチェイ-クイン機構には、そのような大きな結合が必要であると考えられていました。しかし、結合がはるかに小さい「見えないアクシオン」も機能することがすぐに認識されました。そのような2つのクラスのモデルは、文献ではKSVZ（キム-シフマン-ヴァインシュタイン-ザカロフ）^{[21] [22]}とDFSZ（ディネ-フィシュラー-スレドニツキ-ジトニツキー）として知られています。^{[26] [27]}

非常に弱く結合したアクシオンも非常に軽い。なぜなら、アクシオンの結合と質量は比例するからである。非常に軽いアクシオンは初期宇宙で過剰に生成され、したがって排除されなければならないことが示されたとき、「目に見えないアクシオン」に対する満足感は変わった。^{[10] [11] [12]}

ピエール・シキヴィは1983年にアクシオンが存在する場合にマクスウェル方程式がどのように変化するかを計算した。 ^[28]彼はこれらのアクシオンを強い磁場を使って光子に変換することで地球上で検出できることを示し、多くの実験のきっかけとなった。例えば、アクシオン暗黒物質実験はアクシオン暗黒物質をマイクロ波光子に変換し、CERNアクシオン太陽望遠鏡は太陽の中心核で生成されたアクシオンをX線に変換し、他の実験ではレーザー光で生成されたアクシオンを探査している。^[29] 2020年代初頭の時点で、アクシオン暗黒物質を探す実験が数十件提案または進行中である。^[30]

アクシオン電気力学の方程式は、通常「自然単位」で書かれ、これらの「自然単位」で表すと、換算プランク定数、光速、自由空間の誘電率はすべて 1 になります。この単位系では、電気力学方程式は次のようになります。 ${\displaystyle \hbar}$${\displaystyle c}$${\displaystyle \varepsilon_{0}}$

上記では、変数の上の点はその時間微分を表します。変数間の点はベクトルのドット積です。係数は「自然単位」で表されたアクシオンと光子の結合定数です。 ${\displaystyle \ g_{a\gamma \gamma }\ }$

これらの方程式の代替形式が提案されており、これは全く異なる物理的特徴を示唆している。例えば、ヴィシネッリは、磁気単極子の存在を仮定して、双対対称性を課す一連の方程式を書いた。^{[31]しかし、これらの代替定式化は理論的動機があまりなく、多くの場合、}作用から導くことさえできない。

アクシオンを説明するためにマクスウェル方程式に追加される項^{[32]に類似した項は、これらの物質の電気力学の有効なアクシオン記述を与える}トポロジカル絶縁体の最近の（2008年）理論モデルにも登場している。^[33]

この用語は、量子化された磁気電気効果を含むいくつかの興味深い予測特性につながります。^[34]この効果の証拠は、ラトガース大学で開発された量子領域薄膜トポロジカル絶縁体についてジョンズホプキンス大学で行われたTHz分光実験で示されています。^[35]

2019年、マックスプランク固体化学物理学研究所のチームは、ワイル半金属物質のアクシオン絶縁体相の検出を発表しました。 ^[36]アクシオン絶縁体相では、物質はアクシオンのような準粒子（アクシオンとして一緒に振る舞う電子の励起）を持ち、その発見は、アクシオンのような粒子と電磁場の相互作用の説明としてのアクシオン電気力学の一貫性を実証しています。このように、アクシオン絶縁体におけるアクシオンのような準粒子の発見は、アクシオン電気力学を使用してアクシオン自体を探索する動機を提供します。^[37]

アクシオンはまだ発見されていないものの、40 年以上にわたって十分に研究されており、物理学者が検出される可能性のあるアクシオン効果について洞察を深める時間を与えています。現在、アクシオンの実験的探索がいくつか行われています。そのほとんどは、強い磁場内でアクシオンが光子とわずかに相互作用すると予想されることを利用して行われます。アクシオンは、暗黒物質粒子の候補として残っている数少ない粒子の 1 つでもあり、暗黒物質実験で発見される可能性があります。

いくつかの実験では、プリマコフ効果によって天体物理学的なアクシオンを探索しています。プリマコフ効果は、電磁場内でアクシオンを光子に変換し、その逆も行います。

ワシントン大学のアクシオン暗黒物質実験（ADMX）は、強い磁場を使用して、アクシオンからマイクロ波への弱い変換の可能性を検出します。^[38] ADMXは、冷たいマイクロ波空洞と共鳴するアクシオンを求めて銀河の暗黒物質ハロー^[39]を探索します。ADMXは、1.9〜3.53μeVの範囲の楽観的なアクシオンモデルを除外しました。^{[40] [41] [42]} 2013年から2018年にかけて、一連のアップグレード^[43]が行われ、4.9〜6.2μeVを含む新しいデータが取得されています。2021年12月には、KSVZモデルの3.3〜4.2μeVの範囲を除外しました。^{[44] [45]}

この種の他の実験としては、DMRadio、^[46] HAYSTAC、^[47] CULTASK、^[48] ORGAN [ ⁴⁹ ]などがある。HAYSTACは2010年代後半に20μeVを超えるハロスコープの最初のスキャンランを完了した。^[47]

イタリアのPVLAS実験は、磁場中を伝播する光の偏光変化を探索するものである。この概念は、1986年にルチアーノ・マイアーニ、ロベルト・ペトロンツィオ、エミリオ・ザヴァッティーニによって初めて提唱された。^[50] 2006年の回転の主張^[51]は、セットアップのアップグレードによって排除された。^[52]最適化された探索は2014年に始まりました。

もう一つの技術は、いわゆる「壁を透過する光」である^[53]。これは、光が強力な磁場を通過して光子をアクシオンに変換し、それが金属を通過して障壁の反対側の別の磁場によって光子として再構成されるというものである。BFRSとリッツォ率いるチームによる実験では、アクシオンが原因であるとは考えられなかった。^[54] GammeVではイベントが発生しなかったと、2008年のPhysics Review Letterに報告されている。ALPS Iでも同様の実行が行われ、^[55] 2010年に新たな制約が設定された。ALPS IIは2023年5月にデータ収集を開始した。^{[56] [57]} OSQARでは信号が見つからず、結合が制限されており、^[58]継続される予定である。

アクシオンのような粒子は、天体物理学の分野では特徴的な存在である可能性がある。特に、いくつかの研究では、宇宙がTeV光子に対して明らかに透明であることに対する解決策として、アクシオンのような粒子を提案している。^{[59] [60]}また、コンパクトな天体（マグネターなど）の大気を貫く大きな磁場では、光子がはるかに効率的に変換されることが実証されている。これにより、21世紀初頭の望遠鏡で検出可能なスペクトルに、明確な吸収のような特徴が生じることになる。^[61]新しい（2009年）有望な方法は、強い磁気勾配を持つシステムで準粒子の屈折を探すことである。特に、屈折は、高度に磁化されたパルサーの電波光曲線でビーム分割をもたらし、現在達成可能な感度よりもはるかに高い感度を可能にする。^[62]国際アクシオン観測所（IAXO）は、提案されている第4世代の太陽観測装置である。^[63]

アクシオンは中性子星の磁気圏内で共鳴的に光子に変換される。^[64]出現する光子はGHzの周波数範囲にあり、電波検出器で検出される可能性があり、アクシオンパラメータ空間の高感度プローブにつながる。この戦略は、グリーンバンク望遠鏡とエッフェルスベルク100m電波望遠鏡の既存データを再解析することにより、5～11μeVの質量範囲でのアクシオン-光子結合を制限するために使用されてきた。^{[65]新しい代替戦略は、}天の川銀河内の中性子星とアクシオンミニクラスターの遭遇からの過渡信号を検出することである。^[66]

アクシオンは、X線が強い電場で散乱するときに太陽の中心部で生成されることがあります。CAST太陽望遠鏡が進行中で、光子と電子への結合に限界を設けています。アクシオンは、核子間制動放射線によって中性子星内で生成されることもあります。その後のアクシオンのガンマ線への崩壊により、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡を使用したガンマ線での中性子星の観測から、アクシオンの質量に制約を設けることができます。Berenji et al. (2016) は、4つの中性子星の分析から、アクシオン質量の95%信頼区間の上限を0.079 eVと得ました。 ^{[67] 2021年には、 [68] [69]}マグネティックセブンと呼ばれる中性子星システムからの硬X線放射の過剰が報告されている^[70]が、アクシオン放射で説明できる可能性も示唆されています。

2016年、マサチューセッツ工科大学の理論チームは、 MRIスキャン装置で生成されるものよりも強くなくてもよい強力な磁場を使用してアクシオンを検出する可能性のある方法を考案しました。それは、アクシオンの質量に関連する^{変動、わずかな揺れを示します。2021年に発表されたその後の実験の結果では、 4.1x10-10}から8.27x10-9eVの質量範囲にアクシオンの証拠は報告されていません。^[71]

2022年にイベントホライズンテレスコープによるメシエ87*の偏光測定は、仮説上のアクシオンの雲がブラックホールの周囲に形成されると仮定してアクシオンの質量を制限するために使用され、近似的な10 ⁻²¹  eV/ c ² –10 ⁻²⁰  eV/ c ²の質量値の範囲。^{[72] [73]}

ジョセフソン接合^[74]では、質量110μeV、密度1.5μmの銀河ハローからのアクシオンの高流量により共鳴効果が明らかになる可能性がある。0.05 GeV/cm ^{3 [75]}暗黒物質密度と比較して0.3 ± 0.1 GeV/cm ^{3 で}あり、このアクシオンは暗黒物質の唯一の構成要素となるほどの質量を持たないことを示しています。ORGAN実験では、ハロスコープ法を用いてこの結果を直接検証する予定です。^[49]

暗黒物質極低温検出器は、アクシオンを示唆する電子反跳を探索してきた。CDMSは2009年に発表され、EDELWEISSは2013年に結合と質量の制限を設定した。UOREとXMASSも2013年に太陽アクシオンの制限を設定した。XENON100は225日間の実行を使用して、これまでで最高の結合制限を設定し、いくつかのパラメータを除外した。^[76]

シフの定理によれば、静的な核電気双極子モーメント（EDM）は原子や分子のEDMを生成しないが、^[77]アクシオンはラーモア周波数で振動する振動核EDMを誘発する。この核EDMの振動周波数が外部電場と共鳴すると、核スピンの回転に歳差運動が発生する。この歳差運動は歳差磁気測定法で測定でき、検出されればアクシオンの証拠となる。^[78]

この技術を使った実験に宇宙アクシオンスピン歳差運動実験（CASPEr）がある。^{[79] [80] [81]}

アクシオンは衝突型加速器、特に欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での電子陽電子衝突や超周辺重イオン衝突でも生成される可能性があり、光と光の散乱過程が再解釈される。これらの探索は100MeV/c ²から数百GeV/c ²の間のかなり大きなアクシオン質量に敏感である。アクシオンとヒッグス粒子の結合を仮定すると、ヒッグス粒子が2つのアクシオンに異常崩壊する探索は理論的にはさらに強い制限を与えることができる。^[82]

2014年に、太陽から流れ出るアクシオンが地球の磁場で変換されることで生じると予想されるX線放射の季節変動として、アクシオンの証拠が検出された可能性があると報告された。欧州宇宙機関のXMMニュートン観測所による15年間のデータを研究したレスター大学の研究グループは、従来の説明がつかない季節変動に気付いた。論文の主任著者が「もっともらしい」と表現したこの変動の考えられる説明の1つは、太陽の中心核からアクシオンによってX線が生成される可能性がある太陽向きの磁気圏のXMMニュートンに対する視認性の季節変動が知られていることである。^{[83] [84]}

この季節変動の解釈は、2人のイタリア人研究者によって異議が唱えられている。彼らは、アクシオンによる解釈を否定すると言われるレスターグループの議論の欠陥を指摘している。最も重要なのは、レスターグループが光子生成中の磁場勾配によって引き起こされると想定している角度の散乱は、太陽を直接向けることができない検出器にX線を入射させるために必要なものであるが、この散乱によってフラックスが消散し、検出される可能性は無視できるほどになるということである。^[85]

2013年、クリスチャン・ベックはジョセフソン接合でアクシオンが検出できるかもしれないと示唆し、2014年には、質量≈110μeVと一致する特徴が実際にいくつかの既存の実験で観測されていると主張した。^[86]

2020年、イタリアのグラン・サッソ国立研究所のXENON1T実験で、太陽アクシオンの発見を示唆する結果が報告された。^{[87]結果は確認に必要な}5シグマレベルでは有意ではなく、データの他の説明も可能ではあったが、可能性は低かった。^[88] 2022年7月に観測所がXENONnTにアップグレードされた後に行われた新たな観測では、余剰分が破棄されたため、新粒子発見の可能性はなくなった。^{[89] [90]}

宇宙論に関連するアクシオンの理論の一つは、アクシオンは電荷を持たず、質量は100万分の1から100万分の1の範囲にあると予測していた。1 μeV/ c ²から1 eV/ c ²、^[1]および強い力と弱い力の相互作用断面積が非常に小さい。その特性のため、アクシオンは通常の物質と最小限の相互作用しか行わない。アクシオンは磁場内で 光子に変化したり光子から変化したりもする。

アクシオンの質量、崩壊定数、存在比などの特性はすべて宇宙論に影響を与えます。^[1]

インフレーション理論によれば、もしアクシオンが存在するなら、ビッグバンの間にアクシオンが大量に生成されたはずだと示唆されている。^[91]原始宇宙のインスタントン場との独特な結合（「ミスアラインメントメカニズム」）により、宇宙のインフレーションに続く質量獲得中に効果的な動的摩擦が発生する。これにより、そのような原始アクシオンはすべて運動エネルギーを失う。^[要出典]

m ~ 10 ⁻²² eV/ c ²の超軽量アクシオン（ULA）は、 CDMの小規模問題を解決すると思われるスカラー場暗黒物質の一種です。GUTスケールの崩壊定数を持つ単一のULAは、微調整なしで正しい残留密度を提供します。^[92]

アクシオンは、ビッグバン後の他のより質量の大きい暗黒粒子とは異なる瞬間に通常の物質との相互作用を停止したと考えられます。 ^{[なぜ? ]}この違いの長引く影響は、おそらく天文学的に計算および観測できるでしょう。^[要出典]

もしアクシオンの質量が小さく、他の崩壊モードが妨げられるとすれば（崩壊するより軽い粒子がないので）、結合定数が低いことから、アクシオンは質量が小さいにもかかわらず散乱されて状態から外れることはなく、宇宙は原始アクシオンの非常に冷たいボース・アインシュタイン凝縮で満たされるであろうと予測される。したがって、アクシオンは物理宇宙論の暗黒物質問題をもっともらしく説明できる可能性がある。^{[93]観測研究は進行中だが、もしそれが暗黒物質問題の解決策であるならば、質量領域を調査できるほどの感度はまだなく、あいまいな暗黒物質領域は}超放射によって調査され始めている。^{[94] Jain and Singh (2007) [95]}が探究したような高質量アクシオンは、現代の宇宙には存在しないだろう。さらに、アクシオンが存在するとすれば、初期宇宙の熱浴における他の粒子との散乱によって、必然的に熱いアクシオンの集団が生成される。^[96]

低質量アクシオンは、銀河規模で追加の構造を持つ可能性があります。それらが銀河間媒体から銀河に継続的に落下する場合、それらは「腐食性」リングでより高密度になります。これは、連続的に流れる噴水の水流が頂点でより濃くなるのと同じです。^[97]これらのリングの銀河構造と回転に対する重力の影響は、観測可能になる可能性があります。^{[98] [99]} WIMPやMACHOなどの他の冷たい暗黒物質の理論的候補も、そのようなリングを形成する可能性がありますが、これらの候補はフェルミオンであるため、摩擦や散乱を経験するため、リングはそれほど明確に定義されません。^{[引用が必要]}

ジョアン・G・ローザとトーマス・W・ケファートは、不安定な原始ブラックホールの周囲に形成されたアクシオン雲が、電磁波を放射する一連の反応を開始し、ブラックホールの検出を可能にするのではないかと示唆した。暗黒物質を説明するためにアクシオンの質量を調整したとき、2人はその値が高速電波バーストの光度と波長も説明し、両方の現象の起源となる可能性があることを発見した。^[100] 2022年には、同様の仮説を使用してM87*のデータからアクシオンの質量を制限した。^[要出典]

2020年には、アクシオン場が物質と反物質の量の間に不均衡を生み出すことで初期宇宙の進化に影響を与えた可能性があるという説が提唱され、これにより重粒子非対称性の問題が解決される可能性がある。^[101]

超対称性理論では、アクシオンにはスカラーとフェルミオンの両方のスーパーパートナーがあります。アクシオンのフェルミオンスーパーパートナーはアキシノと呼ばれ、スカラースーパーパートナーはサクシオンまたはディラトンと呼ばれます。それらはすべてカイラルスーパーフィールドにまとめられています。

このようなモデルでは、アキシノは最も軽い超対称粒子であると予測されている。[ 102 ]この^特性により、アキシノは暗黒物質の候補とも考えられている。^[103]

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