Αναζήτηση του σωματιδίου axion στο πείραμα CAST

Abstract

Η συμμετρία φορτίου-ομοτιμίας (CP Symmetry) αποτελεί τη σύζευξη των συμμετριών φορτίου (C Symmetry) και ομοτιμίας (P Symmetry) και θεωρητικά προβλέπεται η παραβίασή της έτσι ώστε να εξηγείται η υπερίσχυση της ύλης έναντι της αντιύλης στις στιγμές που ακολούθησαν τη Μεγάλη Έκρηξη. Η παραβίασή της από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις αποδείχθηκε πειραματικά το 1964 από τους James W. Cronin και Val L. Fitch. Ωστόσο, η Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD), η οποία αποτελεί την επικρατέστερη θεωρία περιγραφής των ισχυρών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των quarks και των γκλουονίων, δε φαίνεται να την παραβιάζει κάτι που αντιτίθεται στη θεωρητική πρόβλεψη. Πράγματι, μη διαταρακτικά φαινόμενα της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής μπορούν να επάγουν έναν επιπλέον όρο στη λαγκρανζιανή του Καθιερωμένου Προτύπου ο οποίος οδηγεί στην παραβίαση της συμετρίας φορτίου-ομοτιμίας. Ωστόσο, καμμία πειραματική ένδειξη για κάτι τέτοιο δεν υπάρχει μέχρι σήμερα. Αυτή η συμπεριφορά της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής συνιστά ένα πρόβλημα γνωστό σαν «Ισχυρό Πρόβλημα CP» ή «Πρόθλημα θ» (Strong CP Problem) το οποίο δεν είναι δυνατό να λυθεί στα πλαίσια του Καθιερωμένου Προτύπου. Οι πιθανές λύσεις του προβλήματος θ είναι τρεις και είναι οι εξής: 1. Πιθανή απαλοιφή της μάζας του up quark. 2. Πιθανή αυθόρμητη παραβίαση της συμμετρίας CP σύμφωνα με το μηχανισμό Nelson-Barr. 3. Ύπαρξη ενός υποθετικού σωματιδίου, του αξιονίου, όπως προβλέπεται θεωρητικά από τον μηχανισμό Peccei-Quinn (PQ Mechanism). Η επικρατέστερη των λύσεων είναι αυτή που προτάθηκε από τους R. Peccei και H. Quinn το 1977, σύμφωνα με την οποία εισάγεται μια νέα συμμετρία, η U(1)PQ, η οποία παραβιάζεται αυθόρμητα σε κάποια ενεργειακή κλίμακα οδηγώντας σε ένα καινούριο σωματίδιο, το αξιόνιο. Το σωματίδιο αυτό θα πρέπει να έχει πάρα πολύ μικρή μάζα, ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο καθώς και πολύ μικρή σταθερά σύζευξης με τα λεπτόνια και τα quarks, δηλαδή πολύ μικρές ενεργές διατομές στην περίπτωση των ασθενών και των ισχυρών αλληλεπιδράσεων αντίστοιχα. Πέραν της επίλυσης του Ισχυρού Προβλήματος CP της Kβαντικής Χρωμοδυναμικής, τα αξιόνια, αν τελικά υπάρχουν, έχουν και κοσμολογικές προεκτάσεις αφού πιθανότατα αποτελούν τμήμα μέρους της σκοτεινής ύλης για μάζες γύρω στα 1-2 GeV η οποία είναι γνωστή ως «ψυχρή σκοτεινή ύλη». Έταιροι υποψήφιοι για αυτή τη θέση είναι τα διάφορα ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια (Weakly Interacting Massive Particles – WIMPs). Τα αξιόνια με ηλιακή προέλευση εικάζεται θεωρητικά ότι παράγονται μέσω του φαινομένου Primakoff, δηλαδή ως αποτέλεσμα της διέλευσης φωτονίων μέσω δυνατού μαγνητικού πεδίου. Αυτή τους η ιδιότητα είναι που χρησιμοποιείται και ως αρχή ανίχνευσής τους στο πείραμα CAST (CERN Axion Solar Telescope) του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών (CERN). Στο πείραμα CAST, ακτινοβολία προερχόμενη από τον Ήλιο διέρχεται από ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται με τη βοήθεια μαγνήτη ο οποίος έχει κατασκευαστεί για τον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC). Έτσι, τα αξιόνια που πιθανόν συμπεριλαμβάνονται στην ακτινοβολία υπόκεινται στο αντίστροφο του μηχανισμού Primakoff με απώτερο σκοπό την μετατροπή τους σε φωτόνια και την ανίχνευσή τους από τα κατάλληλα ανιχνευτικά συστήματα. Η 1η Φάση του πειράματος CAST έλαβε χώρα από το 2003 εώς και το 2004. Καθόλη τη διάρκεια αυτής της Φάσης, το πείραμα διεξήχθηκε με κενό στο εσωτερικό των σωλήνων του μαγνήτη. Δεν ανιχνεύθηκε κανένα σήμα αξιονίου, γεγονός που είχε σαν αποτέλεσμα νέα οριακή τιμή για τη σταθερά σύζευξης αξιονίου με φωτόνιο: . Η 2η Φάση του πειράματος χαρακτηρίζεται από την πλήρωση των σωλήνων του μαγνήτη με 4Ηe για την περίοδο 2005-2006 και με 3He για την περίοδο 2008 μέχρι και σήμερα. Η περίοδος του 4Ηe επίσης δε σηματοδοτήθηκε από κάποια ανακάλυψη, ωστόσο υπήρξε εκ νέου βελτίωση του άνω ορίου της σταθεράς σύζευξης του αξιονίου με το φωτόνιο: Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η εκτενής ανάλυση των φαινομένων και της θεωρίας στην οποία στηρίζεται η ύπαρξη των αξιονίων καθώς και η περιγραφή του πειράματος CAST. Η συγγραφή της εργασίας αυτής βασίζεται στην ενασχόλησή μου ως μέλος του πειράματος CAST στα διάφορα στάδια της προετοιμασίας της 2ης Φάσης του πειράματος για τη λειτουργία με 3He καθώς και της λειτουργίας του καθεαυτής από τον Αύγουστο 2007 μέχρι και τον Αύγουστο του 2010.

CP Symmetry is a result of the conjugation of both Charge and Parity Symmetries and is theoretically expected to be violated in order to be able to explain why matter has succeeded to dominate over antimatter after the Big Bang occurred. It’s violation under weak interactions was experimentally proven in 1964 by James W. Cronin and Val L. Fitch. However, Quantum Chromodynamics (QCD), which is the strongest theory describing the strong interactions between quarks and gluons, doesn’t seem to violate it, a fact that opposes theoretical predictions. Non-perturbative effects of QCD are indeed able to postulate an additional factor into the Standard Model lagrangian, a factor that leads into the violation of CP Symmetry. However, no such experimental evidence has ever been observed. This behaviour of QCD leads to a problem known as “Strong CP Problem” which can’t be solved in terms of the Standard Model. The possible solutions of the Strong CP Problem are the following three: 1. Possible vanishing of the up quark mass. 2. Possible spontaneous violation of the CP Symmetry through the Nelson-Barr Mechanism 3. Existence of a hypothetical particle, the axion, as it is theoretically expected to be created through the Peccei-Quinn Mechanism. The most elegant of the solutions and the one believed to be the real case is the one proposed by R. Peccei and H. Quinn in 1977. According to them, a new U(1)PQ symmetry is being introduced and as it is spontaneously violated in some energy scale a new particle occures, the axion. This particle has to have a very small mass, no electric charge and really small cross sections when it comes to weak and strong interactions. Except for providing a solution to the Strong CP Problem of QCD, axions, if they are finally proven to exist, are candidates for a piece of the Dark Matter pie. Their co-candidates are the various Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Solar Axions are believed to be produced through the Primakoff process where photons traveling through a strong magnetic field are converted into particles. This property of theirs is which is used as detection principle at the CAST Experiment (CERN Axion Solar Telescope) at the European Organisation for Nuclear Research (CERN). At the CAST Experiment, radiation deriving from the Sun enters a strong magnetic field produced by one of the magnets constructed for the LHC. There, if any axion is present it subjects to the reverse Primakoff mechanism and is being converted to a photon of characterstic energy so it can be detected by the appropriate detecting devices. CAST Phase I was held through 2003 and 2004. During Phase I, the experiment run under vacuum conditions in both magnet’s bores. No signal above background was observed and so the upper limit for the axion photon coupling was calculated to be . CAST Phase II differentiated the experiment by having the bores filled firstly with 4He (2005-2006) and then with 3He (2008-now). 4He era was also signal-free but re-evaluated the upper limit for the axion photon coupling to This thesis aims to extensively analyze the axion motivation theory and also describe in detail the CAST Experiment. The writing of this thesis is a result of myself being occupied as a member of the CAST Experiment in the various stages of the preparation of the Phase II-3He runs and it’s function in general for the period August 2007 – August 2010.