액시온

액시온(axion /ˈæksiɒn/)은 1977년 양자 색역학(QCD)의 강한 상호작용의 CP 문제를 해결하기 위해 페체이 퀸 이론에 의해 처음 가정된 가상의 기본 입자이다. 만일 액시온들이 존재하고 어떤 특정 범위 내에서 질량이 낮으면, 그것들은 차가운 암흑 물질의 가능한 구성 요소로서 관심을 끈다.

**역사**

**강한 상호작용의 CP 문제**
헤라르뒤스 엇호프트't Hooft, G. (1976). "Symmetry breaking through Bell-Jackiw anomalies". Phys. Rev. Lett. 37 (1).'t Hooft, G. (1976). "Computation of the quantum effects due to a four-dimensional pseudo-particle". Physical Review D. APS. 14 (12): 3432–3450. Bibcode: 1976PhRvD..14.3432T.가 보여준 것처럼, 표준 모형의 강한 상호작용인 양자 색역학(QCD)은 집합적으로 CP로 알려진, 원칙적으로 전하 켤레 대칭과 반전성의 결합된 대칭성을 위반할 수 있는 어떤 자명하지 않은 진공 구조이 자명하지 않은  진공 구조는 QCD의 U(1) 축 대칭과 관련된 문제를 해결한다.를 가지고  있다. 약한 상호작용에 의해 생성된 효과와 함께, 효과적인 주기적 강한 CP-위반 항, Θ는 한 표준 모형 입력으로 나타난다―그 값은 이론에서 예측되지 않지만, 그러나  그것은 측정되어야 한다. 그렇지만, QCD에서 발생하는 커다란 CP-위반 상호작용들은 큰 중성자를 위한 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment (EDM) for the neutron)를 유도할 수 있다. 현재 관찰되지 않은 EDM에 대한 실험적 제약은 QCD의 CP 위반 매우 작아야 하고 또한 Θ 자체도 극도로 작아야함을 의미한다. Θ는 0과 2π 사이의 값을 가질 수 있으므로, 이것은 표준 모형에 대한 "자연성(naturalness)" 문제를 일으킨다. 왜 이 매개변수는 0에 가까워야 할까? (또는, 왜 QCD는 스스로 CP-보존을 발견해야 할까?) 이 질문은 강한 CP 문제(strong CP problem)로 알려져 있다.

**예측**
1977년에, 로베르토 페체이Roberto Peccei와 헬렌 퀸Helen Quinn은 강력한 CP 문제인 Peccei–Quinn 메커니즘에 대한 보다 우아한 해, 페체이-퀸 이론을 상정했다. 그 아이디어는 효과적으로 Θ를 한 장으로 승격시키는 것이다. 이는 자발적으로 깨지는 한 새로운 대역적 대칭(페체이-퀸(PQ) 대칭이라고 불림)을 추가함으로써 달성된다. 이것은 프랭크 윌첵Wilczek, Frank (1978). "Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons". Physical Review Letters. 40 (5): 279–282. Bibcode: 1978PhRvL..40..279W.과 스티븐 와인버그Weinberg, Steven (1978). "A New Light Boson?". Physical Review Letters. 40 (4): 223–226. Bibcode: 1978PhRvL..40..223W.가 독립적으로 제시한 바와 같이, Θ의 역할을 채우고 자연스럽게 CP 위반 매개변수를 0으로 완화하는 한 새로운 입자를 생성한다. 윌첵은 그것이 한 문제를 "말끔히 청소"했기 때문에.이 새로운 가설 입자를 한 세탁 세제 브랜드(Axion)의 이름을 따서 "액시온"이라고 명명했으며,Overbye, Dennis (17 June 2020).  "Seeking dark matter, they detected another mystery". The New York Times. 한편 와인버그는 이것을 "히글렛(higglet)"이라고 불렀다. 와인버그는 나중에 입자에 대한 윌첵의 이름을 채택하는 데 동의했다. 그것은 0이 아닌 질량을 가지고 있기 때문에, 액시온은 어떤 남부-골드스톤 유사 보손(pseudo-Nambu-Goldstone boson)이다.Miller, D. J.; Nevzorov, R. (2003). "The Peccei-Quinn Axion in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model". arXiv: hep-ph/0309143v1

**액시온 암흑 물질**
QCD 효과들은 그곳에서 액시온 장이 움직이는 한 효과적인 주기적 퍼텐셜을 생성한다. 유효적 퍼텐셜의 최소값에 대한 액시온 장의 진동, 소위 오정렬 메커니즘은, 액시온의 질량에 의존하는 한 존재도를 갖는 한 차가운 액시온의 우주론적 종족을 생성한다. 5μpeV/c²(전자 질량(electron mass)의 10-11배) 이상의 질량을 가진 액시온은 암흑 물질을 설명할 수 있었으므로, 또한 따라서 암흑 물질 후보이자 강한 CP 문제에 대한 하나의 해가 될 수 있었다. 만일 급팽창이 한 낮은 척도에서 발생하고 또한 충분히 오래 지속한다면, 액시온 질량은 1peV/c²만큼 낮을 수 있다.di Luzio, L.; Nardi, E.; Giannotti, M.; Visinelli, L. (25 July 2020).  "The landscape of QCD axion models". Physics Reports. 870: 1–117.Takahashi, Fuminobu; Yin, Wen; Guth, Alan H. (31 July 2018). "The QCD Axion Window and Low Scale Inflation". Physical Review D. 98 (1): 015042. arXiv: 1805.08763.
다음 두 가지 조건에 따라서, 액시온 장이 진화를 시작하는 두 가지 시나리오들이 있다:
대체로 말해서, 다음의 두 부섹션에서 요약된 두 가지 가능한 시나리오들 중 하나가 발생한다:

**급팽창-이전 시나리오**
(a)와 (b)가 모두 충족된다면, 우주 급팽창은 PQ 대칭의 자발적인 파괴가 액시온 장의 초기 값의 균일한 값으로 이어지는 우주의 한 패치를 선택한다. 이 "급팽창-이전" 시나리오에서는 위상 결함(topological defect)들은 급팽창되고  또한 액시온 에너지 밀도에 기여하지 않는다. 그렇지만, 등곡률(isocurvature) 모드에서 오는 다른 경계(bound)들은 이 시나리오를 심각하게 제한하며, 그것들은 실행 가능하려면 상대적으로 낮은 에너지 규모의 급팽창을 필요로 한다.Crotty, P.; Garcia-Bellido, J.; Lesgourgues, J.; Riazuelo, A. (2003). "Bounds on isocurvature perturbations from CMB and LSS data". Physical Review Letters. 91 (17): 171301. arXiv: astro-ph/0306286.Beltran, Maria; Garcia-Bellido, Juan; Lesgourgues, Julien (2007). "Isocurvature bounds on axions revisited". Physical Review D. 75 (10): 103507. arXiv: hep-ph/0606107.

**급팽창-이후 시나리오**
만일 조건 (a) 또는 (b) 중 적어도 하나가 위반되면, 액시온 장은 처음에는 인과적 접촉(causal contact)이 없었지만, 그러나 오늘날 우리의 허블 지평선(Hubble horizon)으로 둘러싸인 부피에 거주하는 패치들 내에서는 다른 값들을 갖는다. 이 시나리오에서는, PQ 필드의 등곡률 요동들은 파워 스펙트럼에서 선호하는 값이 없이, 액시온 장을 무작위화한다(randommise).
이 시나리오에서 적절한 처리는, "액시온적(acxionic)" 끈(string)들 및 도메인 벽(domain wall)들과 같은 위상 결함들의 기여를 포함하여, 오정렬(misalignment) 메커니즘에서 오는 모든 특징들을을 포착하는 위해서, 한 확장하는 우주에서 PQ 필드의 운동 방정식을 수치적으로 해결하는 것이다. 0.05–1.50 meV 사이의 한 액시온 질량 추정치가 보러사니Borsanyi 등에 의해 보고되었다. (2016).Borsanyi, Sz.; Fodor, Z.; Gunther, J.; Kampert, K.-H.; Katz, S. D.; Kawanai, T.; et al. (2 November 2016).  "Calculation of the axion mass based on high-temperature lattice quantum chromodynamics". Nature. 539 (7627): 69–71. 그 결과는 슈퍼컴퓨터에서 급팽창-이후 기간 동안 액시온의 형성을 시뮬레이션함으로써 계산되었다.Castelvecchi, Davide (3 November 2016).  "Axion alert! Exotic-particle detector may miss out on dark matter". Nature. news.
수치 시뮬레이션을 사용하여 KSVZ-유형의 액시온현재 물리학 문헌에서는 "보이지 않는 액시온" 메커니즘을 두 가지 형태로 논의하고 있으며, 그 중 하나는 Kim–Shifman–Vainshtein–Zakharov의 경우 KSVZ라고 한다. 아래 "검색" 섹션의 설명을 참조.의 현재 존재도를 결정하는 최근의 진전은 0.02과 0.1 meV 사이의 값으로 이어졌는데,Klaer, Vincent B.; Moore, Guy D. (2017). "The dark-matter axion mass". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2017 (11): 049. arXiv: 1708.07521. 하지만 이 결과들은 (우주) 끈들로부터 방출된 액시온의 파워 스펙트럼에 대한 상세들에 의해 도전을 받고 있다.Gorghetto, Marco; Hardy, Edward; Villadoro, Giovanni (2021). "More axions from strings". SciPost Physics. 10 (2): 050. arXiv: 2007.04990.

**액시온 장의 현상학**

**검색**
액시온 모형들은 이전 실험에서 감지하기에는 너무 약한 커플링 강도를 신중하게 선택한다. 이러한 "보이지 않는 액시온들(invisible axions)"은 이전에 관찰하기에는 여전히 너무 작으면서 강한 CP 문제를 해결했다고 생각되었다. 현재 문헌에서는 KSVZ(Kim–Shifman–Vainshtein–Zakharov) 및 DFSZ(Dine–Fischler–Srednicki–Zhitnitsky)Dine, M.; Fischler, W.; Srednicki, M. (1981). "A simple solution to the strong CP problem with a harmless axion". Physics Letters B. 104 (3): 199–202. Bibcode:1981PhLB..104..199D.라는 두 가지 형태의 "보이지 않는 액시온드" 메커니즘에 대해 논의한다.
매우 약하게 결합된 액시온은, 액시온 커플링들과 질량이 비례하기 때문에, 역시 매우 가볍다. "보이지 않는 액시온"에 대한 만족은 매우 가벼운 액시온이 초기 우주에서 과잉 생산되었을 것이며 따라서 제외되어야 한다는 것이 밝혀졌을 때 바뀌었다.

**액시온으로 수정한 맥스웰 방정식**
피에르 시키비Pierre Sikivie는 1983년에 한 가볍고, 안정적인 액시온으로부터 발생하는 맥스웰 방정식의 수정본을 발표했다.Sikivie, P. (17 October 1983). "Experimental Tests of the 'Invisible' Axion". Physical Review Letters. 51 (16): 1413. Bibcode: 1983PhRvL..51.1415S. 그는 이러한 액시온들이 강한 자기장을 사용하여 광자들로 변환함으로써 지구에서 탐지될 수 있음을 보여주었고, 따라서 몇 가지 실험으로 이어졌다: 그 액시온 암흑 물질 실험(Axion Dark Matter Experiment,ADMX); 태양의 액시온들은 CERN 액시온 태양 망원경(CERN Axion Solar Telescope, CAST)에서와 같이 X선들로 변환될 수 있다; 다른 실험들에서는 액시온들의 징후를 찾기 위해 레이저 빛을 찾고 있다.  "OSQAR". CERN. 2017. 현재 액시온 암흑 물질을 찾기 위한 수십 개의 실험이 제안되었거나 진행 중이다.
액시온 전기역학의 방정식들은 일반적으로 "자연 단위"로 작성되며, 여기서 환원된 플랑크 상수는 , 빛의 속도는 , 그리고 진공 유전율 은 모두 단위로 설정된다. 이 단위계에서 그것들은 다음과 같다:
위에서, 점은 시간 도함수를 나타내며 또한 액시온-광자 커플링은 이다.
이러한 방정식의 대안 형태들이 제안되었으며, 이것들은 완전히 다른 물리적 서명을 의미한다. 예를 들어, 비시넬리는 자기 홀극의 존재를 가정하여 이중성 대칭을 부과하는 방정식 세트를 작성했다. 그렇지만, 이러한 대안 공식들은 이론적 동기가 적으며 또한 많은 경우에 어떤 작용으로부터 도출할 수도 없다.

**위상 절연체에 대한 유사한 효과**
액시온들을 설명하기 위해 맥스웰의 방정식에 추가될 용어와 유사한 용어는 Wilczek, Frank (4 May 1987). "Two applications of axion electrodynamics". Physical Review Letters. 58 (18): 1799–1802. Bibcode: 1987PhRvL..58.1799W. 이러한 물질의 전기역학에 대한 효과적인 액시온 설명을 제공하는 위상절연체에 대한 최근(2008) 이론적 모형에도 나타난다. Qi, Xiao-Liang; Hughes, Taylor L.; Zhang, Shou-Cheng (24 November 2008). "Topological field theory of time-reversal invariant insulators". Physical Review B. 78 (19): 195424. arXiv: 0802.3537.
이 용어는 양자화된 자기전기 효과{magnetoelectric effect}를 포함하여 몇 가지 흥미로운 예측 속성으로 이어진다. Franz, Marcel (24 November 2008).  "High-energy physics in a new guise". Physics. 1: 36. 이 효과에 대한 증거는 럿거스 대학교에서 개발된 양자 체제 박막 위상절연체에 대해 존스 홉킨스 대학교에서 수행된 THz 분광 실험(THz spectroscopy experiment)들에서 제공되었다. Wu, Liang; Salehi, M.; Koirala, N.; Moon, J.; Oh, S.; Armitage, N.P. (2 December 2016). "Quantized Faraday and Kerr rotation and axion electrodynamics of a 3D topological insulator". Science. 354 (6316):  1124–1127. arXiv:1603.04317.
2019년에, (Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids))의 팀은 한 바일 반금속(Weyl semimetal) 속에서 액시온 절연체들을 발견했다고 발표했다. Gooth, J.; Bradlyn, B.; Honnali, S.; Schindler, C.; Kumar, N.; Noky, J.; et al. (7 October 2019). "Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe4)2I". Nature. 575 (7782): 315–319. arXiv: 1906.04510. 한 액시온 절연체는 한준입자―한 액시온으로서 함께 거동하는 한 전자들의 들뜸―이며, 그 발견은 한 기본 입자로서의 액시온의 존재와 일치한다. Fore, Meredith (22 November 2019).  "Physicists have finally seen traces of a long-sought particle. Here's why that's a Big Deal". Live Science. Future US, Inc.

**실험**
아직 발견되지 않았음에도 불구하고, 액시온 모형들은 40년 이상 동안 잘 연구되어 왔으며, 물리학자들이 감지될 수 있는 액시온 효과들에 대한 통찰력을 개발할 수 있는 시간을 제공했다. 액시온에 대한 몇 가지 실험적 검색들이 현재 진행 중이다; 대부분은 액시온들의 강한 자기장에서 광자와 약간의 상호작용을 공략한다. 액시온은 또한 암흑 물질 입자에 대한 몇 안 되는 그럴듯한 후보 중 하나이며, 또한 일부 암흑 물질 실험에서 발견될 수 있다.
액시온의 광자에 대한 커플링에 대한 제약
액시온의 전자에 대한 무차원 커플링에 대한 제약

**자기장에서 직접 변환**
몇몇 실험들은 전자기장들에서 액시온들을 광자들로 또는 그 반대로 변환하는 프리마코프 효과(Primakoff effect)에 의해 천체물리학적 액시온들을 검색한다.
워싱턴 대학교의 액시온 암흑 물질 실험{Axion Dark Matter Experiment, ADMX)는 강력한 자기장을 사용하여 액시온들이 마이크로파들로의 약한 변환의 가능성을 탐지한다. "Team simulates a magnetar to seek dark matter particle". Phys.org. October 2016. ADMX는 한 차가운 마이크로파 캐비티와 공명하는 액시온들을 찾기 위해 은하의 암흑 물질 헤일로Duffy, L. D.; Sikivie, P.; Tanner, D. B.; Bradley, R. F.; Hagmann, C.; Kinion, D.; et al. (2006). "High resolution search for dark-matter axions". Physical Review D. 74 (1): 12006. arXiv: astro-ph/0603108.를 검색한다. ADMX는 1.9~3.53μeV 범위에서 낙관적 액시온 모형들 제외했다.Asztalos, S.J.; Carosi, G.; Hagmann, C.; Kinion, D.; van Bibber, K.; Hoskins, J.; et al. (2010).  "SQUID-based microwave cavity search for dark-matter axions" (PDF). Physical Review Letters. 104 (4): 41301.  "Phase 1 results". Physics. phys.washington.edu. Seattle, WA: University of Washington. 2013년부터 2018년까지 일련의 업그레이드anner, David B.; Sullivan, Neil (2019). The "Gen 2" Axion Dark Matter Experiment (ADMX) (Technical report). doi:10.2172/1508642.가 수행되었으며, 4.9–6.2 µeV를 포함하는 새로운 데이터를 수집하고 있다. 2021년 12월에는 KSVZ 모형에 대해 3.3~4.2μeV 범위를 제외했다.Bartram, C.; Braine, T.; Burns, E.; Cervantes, R.; Crisosto, N.; Du, N.; Korandla, H.; Leum, G.; Mohapatra, P.; Nitta, T.; Rosenberg, L. J (2021-12-23).  "Search for Invisible Axion Dark Matter in the 3.3 – 4.2 μ eV Mass Range". Physical Review Letters. 127 (26): 261803.
이러한 유형의 다른 실험에는 DMRadio,Silva-Feaver, Maximiliano; Chaudhuri, Saptarshi; Cho, Hsaio-Mei; Dawson, Carl; Graham, Peter; Irwin, Kent; Kuenstner, Stephen; Li, Dale; Mardon, Jeremy; Moseley, Harvey; Mule, Richard (21 November 2016).   "Design Overview of DM Radio Pathfinder Experiment". IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 27 (4): 1–4. HAYSTAC, CULTASK,Petrakou, Eleni (13 February 2017).  "Haloscope searches for dark matter axions at the Center for Axion and Precision Physics Research". EPJ Web of Conferences. 164: 01012.  및 ORGAN48이 포함된다. HAYSTAC은 최근 20 µeV 이상에서 헤일로망원경(haloscope)의 첫 스캐닝 실행을 완료했다.

**자기장에서의 편광**
이탈리아의 레이저로의 진공의 편광(polarization of the vacuum with laser, PVLAS) 실험은 한 자기장에서 전파되는 빛의 편광 변화들을 검색한다. 이 개념은 1986년 루치아노 마이아니Luciano Maiani, 로베르토 페트론지오Roberto Petronzio, 및 에밀리오 자바티니Emilio Zavattini에 의해 처음 제안되었다. Maiani, L.; Petronzio, R.; Zavattini, E. (7 August 1986).  "Effects of nearly massless, spin-zero particles on light propagation in a magnetic field" (PDF). Physics Letters B. 175 (3): 359–363.  2006년 한 회전 클레임Reucroft, Steve; Swain, John (5 October 2006).  "Axion signature may be QED". CERN Courier.은 업그레이드된 설정으로 제외되었다.Zavattini, E.; et al. (PVLAS Collaboration) (2006).  "Experimental Observation of Optical Rotation Generated in Vacuum by a Magnetic Field" (PDF). Physical Review Letters. 96 (11): 110406. 한 최적화된 검색은 2014년에 시작되었다.

**장벽을 통해 빛나는 빛**
또 다른 기술은 "장벽들을 통해 빛나는 빛"이라고 불리는데, Ringwald, A. (16–21 October 2001). "Fundamental Physics at an X-Ray Free Electron Laser". Electromagnetic Probes of Fundamental Physics – Proceedings of the Workshop. Workshop on Electromagnetic Probes of Fundamental Physics. Erice, Italy. pp. 63–74. arXiv: hep-ph/0112254. 그곳에서 빛이 강한 자기장을 통과하여 광자들을 액시온들로 변환하고, 그것들은 그리고 금속을 통과하고 장벽의 다른 쪽에 있는 다른 자기장에 의해서 광자들로 재구성된다. BFRS에 의한 실험과 또한 리쪼Rizzo가 이끄는 한 팀의 실험은 한 액시온 원인을 배제했다. Robilliard, C.; Battesti, R.; Fouche, M.; Mauchain, J.; Sautivet, A.-M.; Amiranoff, F.; Rizzo, C. (2007). "No 'light shining through a wall': Results from a photoregeneration experiment". Physical Review Letters. 99 (19): 190403. arXiv: 0707.1296. GammeV는, 한 2008년 물리학 리뷰 레터(Physics Review Letter)에 보고된, 어떤 사건들도 보지 못했다. ALPS I은 2010년에 새로운 제약을 설정하면서 유사한 실행을 수행했다; ALPS II는 현재 2022년에 건설되고 있다. Diaz Ortiz, M.; Gleason, J.; Grote, H.; Hallal, A.; Hartman, M. T.; Hollis, H.; Isleif, K. -S.; James, A.; Karan, K.; Kozlowski, T.; Lindner, A. (2022-03-01).  "Design of the ALPS II optical system". Physics of the Dark Universe. 35: 100968. OSQAR는 신호를 찾지 못하여, 커플링을 제한하고 Pugnat, P.; Ballou, R.; Schott, M.; Husek, T.; Sulc, M.; Deferne, G.; et al. (August 2014). "Search for weakly interacting sub-eV particles with the OSQAR laser-based experiment: Results and perspectives". The European Physical Journal C. 74 (8): 3027. arXiv: 1306.0443. 또한 계속할 것이다.

**천체물리학적 액시온 검색**
액시온-같은 보손들은 천체물리학적 환경에서 한 특징(signiture)을 가질 수 있다. 특히, 몇몇 최근 연구들에서는 TeV 광자들에 대한 우주의 겉보기 투명도에 대한 한 해서 액시온-같은 입자들을 제안했다.De Angelis, A.; Mansutti, O.; Roncadelli, M. (2007). "Evidence for a new light spin-zero boson from cosmological gamma-ray propagation?". Physical Review D. 76 (12): 121301. arXiv: 0707.4312.}}