29.11.2024. - Сверхновая может положить конец поискам темной материи

Сверхновая может положить конец поискам темной материи

Поиски темной материи во Вселенной могут закончиться завтра — при наличии ближайшей сверхновой и небольшой удаче. Природа темной материи ускользала от внимания астрономов в течение 90 лет, с тех пор как стало известно, что 85% вещества во Вселенной не видно в наши телескопы. Наиболее вероятным кандидатом на роль темной материи на сегодняшний день является аксион, легкая частица, которую исследователи по всему миру отчаянно пытаются найти.

Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли теперь утверждают, что аксион может быть обнаружен в течение нескольких секунд после обнаружения гамма-излучения от взрыва близлежащей сверхновой. Аксионы, если они существуют, будут образовываться в больших количествах в течение первых 10 секунд после коллапса ядра массивной звезды в нейтронную звезду, и эти аксионы вырвутся наружу и преобразуются в высокоэнергетические гамма-лучи в интенсивном магнитном поле звезды.

Сегодня такое обнаружение 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, это примерно один шанс из 10.

Тем не менее, однократное обнаружение гамма-лучей позволило бы точно определить массу аксиона, в частности так называемого КХД-аксиона, в огромном диапазоне теоретических масс, включая диапазоны масс, которые сейчас исследуются в экспериментах на Земле. Однако отсутствие обнаружения исключило бы большой диапазон потенциальных масс аксиона и сделало бы большинство текущих поисков темной материи неуместными.

Проблема в том, что для того, чтобы гамма—лучи были достаточно яркими для обнаружения, сверхновая должна находиться поблизости — в пределах нашей галактики Млечный Путь или одной из ее галактик-спутников, - а близлежащие звезды взрываются в среднем каждые несколько десятилетий. Последняя близкая вспышка сверхновой произошла в 1987 году в Большом Магеллановом облаке, одном из спутников Млечного Пути. В то время, согласно анализу команды Калифорнийского университета в Беркли, в направлении сверхновой был направлен ныне несуществующий гамма-телескоп Solar Maximum Mission, но он был недостаточно чувствителен, чтобы обнаружить предсказанную интенсивность гамма-лучей.

"Если бы мы увидели сверхновую, подобную сверхновой 1987А, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить этот КХД—аксион, этот наиболее интересный аксион, на большей части его пространства параметров - по сути, на всем пространстве параметров, которое невозможно исследовать в лаборатории, и большая часть пространства параметров также может быть исследована в лаборатории", - сказал Бенджамин Сафди, доцент физики Калифорнийского университета в Беркли и старший автор статьи, которая была опубликована онлайн 19 ноября в журнале Physical Review Letters. "И все это произошло бы в течение 10 секунд".

Однако исследователи опасаются, что, когда в соседней Вселенной вспыхнет долгожданная сверхновая, мы не будем готовы увидеть гамма-лучи, производимые аксионами. В настоящее время ученые ведут переговоры с коллегами, создающими гамма-телескопы, чтобы оценить целесообразность запуска одного или целой группы таких телескопов, которые будут охватывать 100% неба в режиме 24/7 и будут уверены в том, что зафиксируют любой гамма-всплеск. Они даже предложили название для своей группировки спутников, наблюдающих гамма-излучение во все небо, - GALactic AXion Instrument for Supernova, или ГАЛАКТИС.

"Я думаю, что все мы, пишущие в этой статье, обеспокоены тем, что может произойти следующая вспышка сверхновой, прежде чем у нас появятся необходимые приборы", - сказал Сафди. "Было бы очень жаль, если бы завтра вспыхнула сверхновая и мы упустили возможность обнаружить аксион — он может не появиться еще 50 лет".

Соавторами Safdi являются аспирант Юджин Парк (Yujin Park) и аспиранты Клаудио Андреа Манзари (Claudio Andrea Manzari) и Инбар Саворей (Inbar Savoray). Все четверо являются сотрудниками физического факультета Калифорнийского университета в Беркли и группы теоретической физики Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Поиски темной материи первоначально были сосредоточены на слабых массивных компактных гало-объектах (MACHO), теоретически разбросанных по всей нашей галактике и космосу, но когда они не материализовались, физики начали искать элементарные частицы, которые теоретически находятся повсюду вокруг нас и должны быть обнаружены в земных лабораториях. Эти слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) также не были обнаружены.

На данный момент лучшим кандидатом на роль темной материи является аксион, частица, которая прекрасно вписывается в стандартную физическую модель и решает несколько других выдающихся головоломок в физике элементарных частиц. Аксионы также четко вписываются в теорию струн, гипотезу о лежащей в основе геометрии Вселенной, и, возможно, способны объединить гравитацию, которая объясняет взаимодействия в космических масштабах, с теорией квантовой механики, которая описывает бесконечно малое.

"Кажется почти невозможным создать последовательную теорию гравитации в сочетании с квантовой механикой, в которой не было бы частиц, подобных аксиону", - сказал Сафди.

Наиболее вероятный кандидат на роль аксиона, называемый КХД—аксионом, названный в честь господствующей теории сильного взаимодействия, квантовой хромодинамики, теоретически взаимодействует со всей материей, хотя и слабо, через четыре силы природы: гравитацию, электромагнетизм, сильное взаимодействие, которое удерживает атомы вместе, и слабое взаимодействие, которое объясняет распад атомов.

Одним из следствий этого является то, что в сильном магнитном поле аксион должен время от времени превращаться в электромагнитную волну или фотон. Аксион заметно отличается от другой легкой, слабо взаимодействующей частицы, нейтрино, которая взаимодействует только через гравитацию и слабое взаимодействие и полностью игнорирует электромагнитное взаимодействие.

В лабораторных экспериментах, таких как ALPHA Consortium (Axion Longitudinal Plasma HAloscope), DMradio и ABRACADABRA, в которых участвуют исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, используются компактные резонаторы, которые, подобно камертону, резонируют и усиливают слабое электромагнитное поле или фотон, образующийся при преобразовании аксиона малой массы в присутствии сильное магнитное поле.

В качестве альтернативы астрофизики предложили искать аксионы, образующиеся внутри нейтронных звезд сразу после коллапса ядра сверхновой, подобной 1987A. Однако до сих пор они были сосредоточены в основном на обнаружении гамма-лучей в результате медленного преобразования аксионов в фотоны в магнитных полях галактик. Сафди и его коллеги поняли, что этот процесс не очень эффективен для получения гамма-лучей или, по крайней мере, недостаточен для обнаружения с Земли.

Вместо этого они исследовали производство гамма-лучей аксионами в сильных магнитных полях вокруг той самой звезды, которая их генерировала. Моделирование на суперкомпьютере показало, что этот процесс очень эффективно создает всплеск гамма-излучения, который зависит от массы аксиона, и этот всплеск должен происходить одновременно с выбросом нейтрино изнутри горячей нейтронной звезды. Однако этот выброс аксионов длится всего 10 секунд после образования нейтронной звезды — после этого скорость образования резко падает — хотя до взрыва внешних слоев звезды остаются часы.

"Это действительно навело нас на мысль о том, что нейтронные звезды являются оптимальными объектами для поиска аксионов в качестве аксионных лабораторий", - сказал Сафди. "Нейтронные звезды обладают множеством преимуществ. Это чрезвычайно горячие объекты. Они также обладают очень сильными магнитными полями. Самые сильные магнитные поля в нашей Вселенной наблюдаются вокруг нейтронных звезд, таких как магнетары, магнитные поля которых в десятки миллиардов раз сильнее, чем у всего, что мы можем создать в лаборатории. Это помогает преобразовать эти аксионы в наблюдаемые сигналы."

Два года назад Сафди и его коллеги установили наилучший верхний предел массы аксиона КХД на уровне около 16 миллионов электрон-вольт, что примерно в 32 раза меньше массы электрона. Это было основано на скорости охлаждения нейтронных звезд, которые охлаждались бы быстрее, если бы аксионы образовывались вместе с нейтрино внутри этих горячих компактных тел.

В настоящей работе команда Калифорнийского университета в Беркли не только описывает образование гамма-лучей после коллапса ядра нейтронной звезды, но и использует необнаружение гамма-лучей от сверхновой 1987 года, чтобы установить наилучшие ограничения на массу аксионоподобных частиц, которые отличаются от КХД-аксионов тем, что они не излучают гамма-излучение. что они не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия.

Они предсказывают, что обнаружение гамма-излучения позволит им определить массу аксиона КХД, если она превышает 50 микроэлектронвольт (микроэв, или мкэВ), или примерно одну десятимиллиардную массы электрона. По словам Сафди, однократное обнаружение может изменить направленность существующих экспериментов, чтобы подтвердить массу аксиона. Хотя парк специализированных гамма-телескопов является лучшим вариантом для обнаружения гамма-лучей от близлежащей сверхновой, удачный случай с Ферми был бы еще лучше.

"Наилучший сценарий для аксионов - это если Ферми столкнется со сверхновой. Просто вероятность этого невелика", - сказал Сафди. "Но если бы Ферми увидел это, мы смогли бы измерить его массу. Мы смогли бы измерить силу его взаимодействия. Мы смогли бы определить все, что нам нужно знать об аксионе, и мы были бы невероятно уверены в сигнале, потому что нет обычной материи, которая могла бы создать такое событие".

Источник