После того, как горячая компактная нейтронная звезда образуется из коллапсирующего железного ядра массивной звезды, аксионы должны производиться в огромных количествах в течение примерно 10 секунд. Некоторые из этих аксионов (а, красная пунктирная линия) преобразуются в гамма-лучи в интенсивном магнитном поле звезды. Целый флот гамма-телескопов вокруг Земли сможет обнаружить эти гамма-лучи, подтвердить существование аксионов и определить их массу. Фото предоставлено: Бенджамин Сафди, Калифорнийский университет в Беркли.
Поиски темной материи во Вселенной могут закончиться завтра — благодаря близкой сверхновой и небольшому везению. Природа темной материи ускользала от астрономов на протяжении 90 лет с тех пор, как они поняли, что 85% материи во Вселенной не видно в наши телескопы. Наиболее вероятным кандидатом на роль темной материи сегодня является аксион, легкая частица, которую отчаянно ищут исследователи по всему миру.
Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли теперь утверждают, что аксион можно было обнаружить через несколько секунд после обнаружения гамма-лучей от ближайшего взрыва сверхновой. Аксионы, если они существуют, будут производиться в больших количествах в первые 10 секунд после коллапса ядра массивной звезды в нейтронную звезду, и эти аксионы ускользнут и преобразуются в высокоэнергетические гамма-лучи в интенсивном магнитном поле звезды. .
Такое обнаружение теперь возможно только в том случае, если единственный гамма-телескоп на орбите, космический гамма-телескоп Ферми, направлен в направлении сверхновой в момент ее взрыва. Учитывая поле зрения телескопа, вероятность составляет примерно одну из десяти.
Но одно-единственное обнаружение гамма-лучей позволило бы определить массу аксиона, особенно так называемого аксиона КХД, в огромном диапазоне теоретических масс, включая диапазоны масс, которые в настоящее время изучаются в экспериментах на Земле. Однако отсутствие обнаружения устранило бы большой диапазон потенциальных масс аксиона и сделало бы большинство текущих поисков темной материи неактуальными.
Проблема в том, что сверхновая должна находиться рядом с нашим Млечным Путем или одной из его галактик-спутников, чтобы гамма-лучи были достаточно яркими, чтобы их можно было обнаружить, а близлежащие звезды взрываются в среднем только раз в несколько десятилетий. Последняя близкая сверхновая произошла в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, одном из спутников Млечного Пути. Согласно анализу команды Калифорнийского университета в Беркли, в тот момент ныне несуществующий гамма-телескоп Solar Maximum Mission указывал в направлении сверхновой, но был недостаточно чувствителен, чтобы обнаружить предсказанную интенсивность гамма-лучей.
«Если бы мы увидели сверхновую, подобную Supernova 1987A, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить этот аксион КХД, этот самый интересный аксион, на большей части ее пространства параметров – по сути, на всем пространстве параметров, которое не могут быть изучены в лаборатории, и большая часть пространства параметров также может быть изучена в лаборатории», — сказал Бенджамин Сафди, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор статьи, опубликованной в Интернете на 19 ноября в журнале Physical Review Letters. «И все произошло бы в течение 10 секунд».
Но исследователи опасаются, что когда в соседней Вселенной взорвется давно ожидаемая сверхновая, мы не будем готовы увидеть гамма-лучи, производимые аксионами. Сейчас ученые беседуют с коллегами, которые строят гамма-телескопы, чтобы оценить возможность запуска одного или целой группы таких телескопов, чтобы охватить 100% неба 24 часа в сутки, 7 дней в неделю и обязательно поймать каждый гамма-всплеск. Они даже предложили название для своей группировки гамма-спутников всего неба — прибор GALactic AXion для сверхновых, или GALAXIS.
«Я думаю, что все мы, участвовавшие в этой статье, обеспокоены тем, что следующая сверхновая появится раньше, чем у нас будут подходящие инструменты», — сказал Сафди. «Было бы очень жаль, если бы завтра взорвалась сверхновая, и мы упустили бы возможность обнаружить аксион – он может не вернуться еще 50 лет».
Соавторами Сафди являются аспирант Юджин Пак и постдокторанты Клаудио Андреа Манзари и Инбар Саворей. Все четверо являются членами физического факультета Калифорнийского университета в Беркли и группы теоретической физики Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
КХД аксионы
Поиски темной материи первоначально были сосредоточены на слабых массивных компактных гало-объектах (MACHO), которые теоретически были разбросаны по нашей галактике и космосу. Однако когда они не появились, физики начали поиск элементарных частиц, которые теоретически окружают нас повсюду и должны быть обнаружены в земных лабораториях. Эти слабовзаимодействующие массивные частицы (вимпы) также не появились.
На данный момент лучшим кандидатом на роль темной материи является аксион, частица, которая хорошо вписывается в Стандартную модель физики и решает несколько других открытых загадок в физике элементарных частиц. Аксионы также хорошо вписываются в теорию струн, гипотезу о базовой геометрии Вселенной, и могут быть способны объединить гравитацию, которая объясняет взаимодействия в космических масштабах, с теорией квантовой механики, которая описывает бесконечно малые величины.
«Кажется, почти невозможно создать последовательную теорию гравитации в сочетании с квантовой механикой, которая не содержала бы таких частиц, как аксион», — сказал Сафди.
Самый сильный кандидат на роль аксиона, так называемый аксион КХД, названный в честь преобладающей теории сильных сил, квантовой хромодинамики, теоретически взаимодействует со всей материей, хотя и слабо, через четыре силы природы: гравитацию, электромагнетизм, сильное взаимодействие. удерживает атомы вместе и является слабой силой, которая объясняет распад атомов.
Одним из последствий этого является то, что аксион в сильном магнитном поле иногда превращается в электромагнитную волну или фотон. Аксион существенно отличается от другой легкой, слабо взаимодействующей частицы — нейтрино, которая взаимодействует только посредством гравитации и слабого взаимодействия и полностью игнорирует электромагнитную силу.
В лабораторных экспериментах, таких как Консорциум АЛЬФА (Axion Longitudinal Plasma HAlscope), DMradio и ABRACADABRA с участием исследователей Калифорнийского университета в Беркли, используются компактные полости, которые резонируют, как камертон, со слабым электромагнитным полем или фотоном, которое создается, и усиливают его. Аксион малой массы трансформируется в присутствии сильного магнитного поля.
В качестве альтернативы астрофизики предложили искать аксионы, которые образуются внутри нейтронных звезд сразу после коллапса ядра сверхновой, такой как 1987A. Но до сих пор они сосредоточились в первую очередь на обнаружении гамма-лучей в результате медленного преобразования этих аксионов в фотоны в магнитных полях галактик. Сафди и его коллеги поняли, что этот процесс не очень эффективен для производства гамма-лучей или, по крайней мере, недостаточно эффективен для обнаружения с Земли.
Вместо этого они изучали производство гамма-лучей аксионами в сильных магнитных полях вокруг той самой звезды, которая произвела аксионы. Суперкомпьютерное моделирование показало, что этот процесс очень эффективно производит всплеск гамма-лучей, который зависит от массы аксиона, и всплеск должен происходить одновременно со вспышкой нейтрино из недр горячей нейтронной звезды. Однако этот всплеск аксионов длится всего 10 секунд после образования нейтронной звезды, после чего скорость производства резко падает, хотя до взрыва внешних слоев звезды осталось несколько часов.
«Это действительно заставило нас задуматься о нейтронных звездах как об оптимальных целях для поиска аксионов в аксионных лабораториях», — сказал Сафди. «Нейтронные звезды могут многое предложить. Это чрезвычайно горячие объекты. Они также обладают очень сильными магнитными полями. Самые сильные магнитные поля в нашей Вселенной обнаружены вблизи нейтронных звезд, таких как магнетары, магнитные поля которых исчисляются десятками миллиардов, что во много раз сильнее, чем все, что мы можем построить в лаборатории. Это помогает преобразовать эти аксионы в наблюдаемые сигналы.
Два года назад Сафди и его коллеги установили лучший верхний предел массы аксиона КХД на уровне около 16 миллионов электронвольт, что примерно в 32 раза меньше массы электрона. Это было основано на скорости остывания нейтронных звезд, которые охлаждались бы быстрее, если бы аксионы рождались вместе с нейтрино в этих горячих компактных телах.
В своей текущей работе команда Калифорнийского университета в Беркли не только описывает генерацию гамма-лучей после коллапса ядра нейтронной звезды, но также использует факт отсутствия обнаружения гамма-лучей от сверхновой 1987А, чтобы установить наилучшие ограничения на массу звезды. аксионоподобные частицы, которые отличаются от аксионов КХД тем, что они не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия.
Они предсказывают, что обнаружение гамма-лучей позволит им идентифицировать массу аксиона КХД, если она превышает 50 микроэлектронвольт (микроэВ или мкэВ), или примерно одну десятимиллиардную часть массы электрона. По словам Сафди, одно обнаружение может перенаправить существующие эксперименты на подтверждение массы аксиона. Хотя парк специализированных гамма-телескопов является лучшим вариантом для обнаружения гамма-лучей ближайшей сверхновой, удача с Ферми была бы еще лучше.
«Лучшим сценарием для аксионов была бы ловля Ферми сверхновой. Вероятность этого невелика», — сказал Сафди. «Но если бы Ферми это увидел, мы могли бы измерить его массу. Мы могли бы измерить силу его взаимодействия. Мы могли бы определить все, что нам нужно знать об аксионе, и у нас была бы невероятная уверенность в сигнале, потому что не существует обычной материи, которая могла бы вызвать такое событие.
Информация от: Калифорнийским университетом в Беркли.
