|
Поиск аксионов путем анализа рентгеновских наблюдений
|
|
|
|
Продолжающийся поиск темной материи, неуловимого типа вещества, которое не излучает, не поглощает и не отражает свет и на долю которого, по оценкам, приходится большая часть массы Вселенной, пока не дал окончательных результатов. Аксионы, гипотетические элементарные частицы, о которых впервые появилась теория в 1970-х годах, являются одними из наиболее многообещающих кандидатов на роль темной материи.
|
|
|
|
Две разные исследовательские группы, одна из которых базируется в Университетах Падуи, Сарагосы/ТУ в Дортмунде, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, а другая - в Калифорнийском университете в Беркли (UC Berkeley), недавно провели независимые поиски аксионов, используя рентгеновские снимки галактик, полученные с помощью Массив ядерных спектроскопических телескопов (NuSTAR).
|
|
|
|
Их статьи, обе из которых опубликованы в журнале Physical Review Letters, устанавливают еще более строгие ограничения на свойства аксионов, а также открывают новые возможности для будущего поиска этих неуловимых кандидатов в темную материю.
|
|
|
|
"Хотя еще слишком рано выносить окончательное суждение, примечательно, что поиски на БАКЕ и эксперименты по прямому обнаружению слабо взаимодействующих массивных частиц дали нулевые результаты, что усилило постоянно растущий интерес к новым частицам с энергией ниже ГэВ, которые очень слабо связаны с обычной материей", - Эдоардо Витальяно, соавтор исследования.автор первой статьи, рассказанной Phys.org.
|
|
|
|
|
|
|
"В этом отношении аксионы на данный момент являются одними из лучших кандидатов для физики, выходящей за рамки стандартной модели. Они представляют собой обобщение аксиона КХД, новой частицы, первоначально предложенной в конце 1970-х годов для решения так называемой проблемы сильного СР".
|
|
|
|
В своей недавней статье Витальяно и его коллеги задались целью оценить потенциал совершенно нового зонда для проведения поиска аксионов, который специально предназначен для обнаружения их взаимодействия с фотонами. Известно, что звезды генерируют большое количество легких частиц; например, звездная плазма постоянно производит нейтрино, которые могут легко улетучиваться из-за их слабых взаимодействий с другими частицами. Идея, лежащая в основе исследования команды, заключается в том, что аксионы могут образовываться в ходе аналогичных процессов, в которых фотоны могут слабо взаимодействовать с ними.
|
|
|
|
"Массивные звезды в галактиках со вспышками звездообразования, таких как M82 (Сигарная галактика), в которых звезды формируются с исключительно высокой скоростью, могут обильно образовывать аксионы, которые выходят из плотных ядер и впоследствии распадаются за пределами звезд", - сказал Витальяно. "Поскольку температура в таких массивных звездах может достигать 100 миллионов Кельвинов, энергия, с которой аксионы выбрасываются из ядер, может составлять около 100 кэВ, что приводит к образованию фотонов, подобных тем, которые используются для диагностической рентгенографии".
|
|
|
|
Исследователи предположили, что поток фотонов, создаваемый массивными звездами, будет существенно отличаться от стандартных рентгеновских сигналов, исходящих от тех же галактик, в которых вспыхивают звезды. В частности, они будут демонстрировать жесткий спектр (т.е. в нем преобладают частицы с высокой энергией) и угловой разброс (т.е. частицы движутся в разных направлениях и под разными углами), вызванный медленным распадом частиц.
|
|
|
|
Таким образом, эти различные рентгеновские сигналы могут стать ценным инструментом для обнаружения аксионов. В рамках своего исследования Витальяно и его коллеги продемонстрировали эту идею, используя рентгеновские снимки, полученные телескопом NuSTAR, показав, что он может стать многообещающим инструментом для обнаружения новых распадающихся частиц и изучения физики, выходящей за рамки стандартной модели.
|
|
|
|
"Аксионы, образующиеся в ядре M82, распространяются десятки тысяч лет, прежде чем окончательно распадутся на фотоны, создавая ореол рентгеновских лучей, окружающий галактику", - объяснил Дамиано Фиорилло, соавтор статьи.
|
|
|
|
"Мы определили форму и интенсивность этого гало, и, проанализировав данные телескопа NuSTAR, мы не нашли никаких свидетельств наличия этого сигнала за период наблюдений, превышающий 1 миллисекунду. Следовательно, сила, с которой аксион взаимодействует с фотоном, должна быть достаточно мала, и мы использовали этот аргумент для получения основных ограничений на эти слабо взаимодействующие частицы".
|
|
|
|
Хотя недавний поиск, проведенный Витальяно, Фиорилло и их коллегами, не привел к наблюдению аксионов, он позволил им исследовать ранее неизведанные части пространства параметров для аксионов с массами ниже МэВ, показав, что галактика M82 является мощной лабораторией для исследования аксионов с широким диапазоном масс.
|
|
|
|
"Заманчиво то, что наблюдение аксионного сигнала в этом диапазоне масс с большим количеством данных также дало бы важную информацию о ранней Вселенной, например, указав на относительно низкую температуру повторного нагрева (т.е. температуру, при которой заканчивается инфляция и остается горячая, тепловая вселенная, в которой преобладает излучение).,- сказал Витальяно.
|
|
|
|
"Наш аргумент может быть применен к другим частицам, выходящим за рамки стандартной модели, а также к различным астрофизическим источникам, при условии, что последние достаточно горячие, чтобы производить новые частицы, и в то же время достаточно холодные, чтобы избежать больших ускоряющих факторов, которые замедляют распад (из-за замедления времени, хорошо известного явления в теории относительности)."
|
|
|
|
Результаты аксионного поиска, проведенного Витальяно и его коллегами, были опубликованы примерно в то же время, что и результаты очень похожего поиска, проведенного двумя исследователями из Калифорнийского университета в Беркли. Эта вторая исследовательская группа также поняла, что аксионы можно исследовать на основе наблюдений NuSTAR.
|
|
|
|
"Наша идея началась с пересмотра хорошо известной литературы о том, что аксионы могут в изобилии образовываться в звездах", - сказал Орион Нинг, соавтор второй статьи. Phys.org. "Мы хотели обыграть новую идею о том, как мы могли бы максимизировать аксионный сигнал, предсказывая количество аксионов, образующихся в самых больших звездных популяциях, которые только можно себе представить, — галактиках.
|
|
|
|
"Эта простая идея, которая в прошлом была реализована в гораздо меньших масштабах, оказалась многообещающей в плане создания нового пространства параметров аксионов, особенно для разумно подобранных галактик, звездное население которых может эффективно генерировать аксионы, таких как M82".
|
|
|
|
Поняв, что M82 и другие галактики со вспышками звездообразования могут стать мощными исследованиями в области физики аксионов, Нинг и его коллега Бенджамин Р. Сафди также решили проверить эту идею. Основой для их поиска послужило то, что обычно называют астрофизическим экспериментом "свет, проникающий сквозь стены".
|
|
|
|
"Первым шагом этого эксперимента является прогнозирование образования аксионов в недрах звездной популяции галактики, которые образуются в результате преобразования фотонов в плазме звезды в аксионы", - пояснил Нинг. "Затем эти аксионы выходят из звезды и, приближаясь к нам, могут взаимодействовать с магнитными полями галактики, а затем превращаться обратно в фотон. Все это зависит от того, насколько сильно аксион взаимодействует с электромагнетизмом, что позволяет ему затем "преобразовываться" в фотоны и наоборот".
|
|
|
|
Подобно Витальяно и его коллегам, Нинг и Сафди также проанализировали данные, собранные рентгеновским телескопом NuSTAR, в поисках тех же сигнатур аксионного "света". Хотя они также не выявили рентгеновских признаков, которые могли бы указывать на присутствие аксионов, их усилия установили дополнительные жесткие ограничения на силу взаимодействий между аксионами с очень малыми массами (т.е. легче 10-12 эВ) и фотонами.
|
|
|
|
"Вероятно, самым заметным достижением нашей работы является использование этой очень простой идеи — использование множества звезд вместо одной или нескольких — для того, чтобы фактически максимизировать количество аксионов, которые мы могли бы обнаружить, наблюдая за астрофизическими объектами", - сказал Нинг. "Удивительно, но в этой работе мы можем исследовать большую область пространства параметров аксиона (массу и связь), и мы думаем, что, открыв дверь для использования всего звездного населения, мы сможем сделать большие шаги к окончательному обнаружению — или, по крайней мере, сузить круг — того, где может находиться аксион."
|
|
|
|
В настоящее время Нинг и Сафди планируют дальнейшие исследования, основанные на той же идее. В своих будущих исследованиях они планируют провести аналогичный поиск, который вместо этого будет учитывать взаимодействие аксионов с электронами, сосредоточив внимание на звездных популяциях галактик, которые могли бы генерировать аксионы, возникающие в результате взаимодействия электронов.
|
|
|
|
"Аналогичным образом, в настоящее время мы заканчиваем работу над другим вариантом этой истории, где аксионы могут быть получены путем взаимодействия с нуклонами (то есть нейтронами и протонами), и есть несколько интересных механизмов, с помощью которых это может произойти, включая ядерную физику и химию", - добавил Нинг.
|
|
|
|
"Есть множество других идей, с которыми мы также играем — проблема в том, что мы не знаем точно, как может проявиться аксион, поэтому мы должны продолжать исследовать все возможные направления, если хотим окончательно обнаружить — или исключить — аксион".
|
|
|
|
Витальяно и его коллеги также планируют дополнительные исследования, чтобы изучить различные модели частиц и исследовать частицы, которые могут оставаться вблизи своего источника из-за гравитационного притяжения, образуя "бассейн". Они попытаются понаблюдать за этим предполагаемым бассейном вокруг M82, также опираясь на данные других телескопов, таких как INTEGRAL.
|
|
|
|
Источник
|
