アクシオン

アクシオン：未発見の素粒子、強いCP問題の解決と暗黒物質の謎

アクシオン（Axion）は、素粒子物理学において、標準模型の未解決問題の一つである強いCP問題を解決するために提唱された、仮説上の素粒子です。また、冷たい暗黒物質の有力な候補としても注目を集めています。

強いCP問題とは

標準模型には、CP対称性を破る位相パラメータが2つ存在します。1つはCKM行列の位相であり、もう1つは量子色力学（QCD）の位相です。CKM行列の位相は、B中間子崩壊の精密測定によってCP対称性を大きく破っていることがわかっています。しかし、QCDにおけるCP対称性の破れは、中性子の電気双極子モーメント（EDM）などを通して観測されるはずですが、極めて高い精度でCP対称性が成立していることがわかってきました。この矛盾は、標準模型の破綻を意味するものではありませんが、何らかの説明が必要な不自然なものと考えられ、「強いCP問題」と呼ばれています。

アクシオンによる解決

アクシオンは、1977年にロベルト・ペッチェイとヘレン・クインによって提唱されたペッチェイ・クイン理論において、強いCP問題の解決策として導入されました。アクシオンは、ペッチェイ・クイン対称性の自発的対称性の破れに伴って出現する、質量を持った擬南部・ゴールドストーン[[粒子]]です。この対称性はQCDに対してアノマリーを持ち、アクシオンがQCDの位相を動的に吸収することで、強いCP問題を解決します。

暗黒物質候補としてのアクシオン

QCD効果により、アクシオン場を動かす有効な周期ポテンシャルが生成されます。このポテンシャルの最小値付近でアクシオン場が振動する際に、宇宙にアクシオンの集団が形成されます。アクシオンの質量が特定の範囲（5μeV/c2程度）にあれば、暗黒物質として宇宙の質量を説明できる可能性があります。また、インフレーションが十分に長く続いた場合、アクシオンの質量はさらに小さくなる可能性も指摘されています。

アクシオン場が進化を始めるシナリオは、PQ対称性がインフレーションの間に破れるか、破れた後に回復しないかによって2つに分かれます。それぞれのシナリオにおいて、アクシオンのエネルギー密度や質量に影響を与える位相欠陥の有無が異なり、暗黒物質としての存在量も変動します。

アクシオン探索の現状

アクシオンの結合強度は非常に弱いため、これまでの実験では検出されていません。そのため、「見えないアクシオン」とも呼ばれます。アクシオンの探索は、主に以下の方法で行われています。

共鳴空洞法： 強い磁場中でアクシオンがマイクロ波光子に変換される現象を利用し、共鳴空洞を用いて検出します（ADMX、HAYSTACなど）。
太陽アクシオン探索： 太陽内部で生成されたアクシオンが地球に到達し、磁場中でX線に変換される現象を捉えようとします（CERN Axion Solar Telescope）。
壁を透過する光（LSW）実験： 強い磁場中で光子をアクシオンに変換し、壁を透過させた後、再び光子に変換して検出します（ALPSなど）。
天体物理学的アクシオン探索： 中性子星やマグネターなどの天体からのアクシオン放射を探索します。

これらの探索実験は世界中で活発に進められており、アクシオンの発見に向けた期待が高まっています。

アクシオンの宇宙論的な意味合い

アクシオンが存在する場合、ビッグバン時に大量に生成されたと考えられています。アクシオンは、その質量や相互作用によって、宇宙のインフレーションや暗黒物質の性質に影響を与えた可能性があります。また、アクシオンが銀河スケールの構造形成に影響を与えている可能性も指摘されています。

まとめ

アクシオンは、強いCP問題の解決と暗黒物質の謎という、素粒子物理学と宇宙論における重要な課題に同時に答えられる可能性を秘めた、魅力的な仮説上の素粒子です。今後の探索実験の進展によって、アクシオンの存在が明らかになることが期待されます。

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