Пионин — элементарная частица¶

Пионин — гипотетическая элементарная частица, предложенная в теоретической физике как возможный сверхлёгкий скалярный бозон, связанный с нарушением киральной симметрии сильных взаимодействий. В отличие от хорошо изученных пионов, представляющих собой составные мезоны, состоящие из кварка и антикварка, пионин мыслится как фундаментальная частица, возникающая в некоторых расширениях Стандартной модели и теориях с дополнительными калибровочными взаимодействиями. Его существование не подтверждено экспериментально, и в настоящее время пионин остаётся объектом теоретических исследований и поисков в физике высоких энергий.

¶Теоретические основы

Понятие пионина возникает в контексте проблемы иерархии масс и попыток объяснить малые массы скалярных бозонов. В Стандартной модели масса бозона Хиггса не защищена от квантовых поправок, что требует тонкой подстройки параметров. Один из подходов к решению этой проблемы — модели, в которых бозон Хиггса является псевдоголдстоуновским бозоном, возникающим при спонтанном нарушении глобальной симметрии. В таких сценариях появляются дополнительные лёгкие скалярные частицы, одна из которых может быть связана с киральной симметрией сильного взаимодействия и получила название пионина.

Термин образован по аналогии с пионом: пионин можно рассматривать как «партнёр» пиона в гипотетическом секторе фундаментальных скалярных частиц. В отличие от пиона, чья масса составляет около 135–140 МэВ и определяется динамикой сильных взаимодействий, пионин должен быть значительно легче — в некоторых моделях его масса оценивается в диапазоне от нескольких электронвольт до нескольких килоэлектронвольт.

¶Связь с сильной CP-проблемой

Одним из наиболее известных контекстов, где фигурирует пионин, является сильная CP-проблема. Квантовая хромодинамика допускает член в лагранжиане, нарушающий CP-симметрию, однако экспериментально такое нарушение в сильных взаимодействиях не наблюдается. Для объяснения этого расхождения Роберто Пекчеи и Хелен Куинн предложили механизм, вводящий новую глобальную симметрию — симметрию Пекчеи — Куинн. Её спонтанное нарушение порождает аксион — лёгкую псевдоскалярную частицу.

Пионин в ряде работ рассматривается как альтернативная или дополнительная степень свободы, связанная с тем же сектором. Если аксион взаимодействует с глюонами, то пионин может описывать скалярную моду, взаимодействующую с киральным конденсатом кварков. Взаимодействие пионина с веществом крайне слабо, что делает его обнаружение чрезвычайно сложной экспериментальной задачей.

¶Массы и взаимодействия

Теоретические оценки массы пионина сильно зависят от выбранной модели:

Столь широкий разброс отражает отсутствие экспериментальных ограничений. Основное взаимодействие пионина предполагается псевдоскалярным или скалярным, что определяет его слабую связь с обычной материей. Это, с одной стороны, объясняет, почему частица до сих пор не обнаружена, с другой — затрудняет планирование экспериментов.

¶Экспериментальные поиски

Поиски пионина ведутся по нескольким направлениям. Во-первых, это эксперименты по поиску лёгких слабовзаимодействующих частиц, такие как эксперименты на ускорителях и в подземных лабораториях. Во-вторых, астрофизические наблюдения: если пионин существует, он может влиять на охлаждение звёзд, эволюцию нейтронных звёзд и процессы в ранней Вселенной. Ограничения на его параметры получают из данных о сверхновых, реликтовом излучении и спектрах активных галактических ядер.

На начало 2020-х годов достоверных свидетельств существования пионина нет. Верхние пределы на его взаимодействие с веществом постоянно уточняются, но пока не позволяют ни подтвердить, ни окончательно исключить частицу в широком диапазоне параметров.

¶Место в современной физике

Пионин не входит в Стандартную модель и относится к классу гипотетических частиц, возникающих в её расширениях. Его роль в теоретической физике двояка. С одной стороны, он служит инструментом для проверки идей о природе нарушения симметрий и происхождении масс. С другой — его поиски стимулируют развитие экспериментальных методик регистрации сверхслабых взаимодействий.

Следует отличать пионин от других гипотетических лёгких бозонов, таких как аксион, дилатон или скалярный партнёр гравитона. Несмотря на возможное пересечение в пространстве параметров, эти частицы имеют разное происхождение и разные предсказания для взаимодействий. В литературе термин «пионин» используется не всегда последовательно, что связано с разнообразием моделей и отсутствием единой общепринятой терминологии.

¶Критика и неопределённость

Основная критика концепции пионина связана с её спекулятивностью. В отличие от аксиона, чьё существование мотивировано конкретной физической проблемой (сильная CP-проблема) и имеет чёткие предсказания, пионин вводится в рамках более частных моделей и не обладает столь же строгим теоретическим обоснованием. Некоторые исследователи рассматривают его как удобную параметризацию, а не как самостоятельную физическую сущность.

Кроме того, отсутствие экспериментальных сигналов на протяжении десятилетий поисков заставляет с осторожностью относиться к моделям, предсказывающим пионин в доступном для регистрации диапазоне. Тем не менее, пока не существует эксперимента, полностью закрывающего все возможные параметры частицы, интерес к ней сохраняется в контексте более широкого поиска новой физики за пределами Стандартной модели.