Продолжающиеся поиски тёмной материи, неуловимого типа материи, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет и, как предполагается, составляет большую часть массы Вселенной, пока не дали окончательных результатов. Аксионы, гипотетические элементарные частицы, о которых впервые появились теории в 1970-х годах, являются одними из самых многообещающих кандидатов на роль тёмной материи.

Две разные исследовательские группы, одна из которых базируется в Университете Падуи, Университете Сарагосы/Техническом университете Дортмунда, Немецком электронном синхротроне DESY и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, а другая — в Калифорнийском университете в Беркли (UC Berkeley), недавно провели независимые поиски аксионов с использованием рентгеновских изображений галактик, полученных с помощью ядерного спектроскопического телескопа (NuSTAR).

Их статьи, обе из которых опубликованы в Physical Review Letters, устанавливают ещё более строгие ограничения на свойства аксионов, а также открывают новые возможности для будущего поиска этих неуловимых кандидатов на роль тёмной материи .

«Хотя пока ещё слишком рано делать окончательные выводы, следует отметить, что поиски на LHC и эксперименты по прямому обнаружению слабо взаимодействующих массивных частиц дали нулевые результаты, что подстегивает постоянно растущий интерес к новым частицам с энергиями ниже ГэВ, которые очень слабо взаимодействуют с обычной материей», — рассказал Phys.org Эдоардо Витальяно, соавтор первой статьи .

«В этом отношении аксионы являются одними из лучших кандидатов на данный момент для физики за пределами стандартной модели. Они являются обобщением аксиона КХД , новой частицы, первоначально предложенной в конце 1970-х годов для решения так называемой проблемы сильного CP».

В своей недавней статье Витальяно и его коллеги намеревались оценить потенциал совершенно нового зонда для проведения поиска аксионов, который специально нацелен на обнаружение их взаимодействия с фотонами. Известно, что звезды генерируют большое количество лёгких частиц; например, звёздная плазма постоянно производит нейтрино, которые могут легко вырываться из-за их слабого взаимодействия с другими частицами. Идея, лежащая в основе исследования команды, заключается в том, что аксионы могут образовываться во время аналогичных процессов, в которых фотоны могут слабо взаимодействовать с ними.

«Массивные звезды в галактиках со вспышкой звездообразования, таких как M82 (галактика Сигара), в которых звезды формируются с исключительно высокой скоростью, могут обильно производить аксионы, которые выходят из плотных ядер и впоследствии распадаются вне звезд», — сказал Витальяно. «Поскольку температура в таких массивных звездах может достигать 100 миллионов Кельвинов, энергия, с которой аксионы выстреливаются из ядер, может составлять около 100 кэВ — таким образом производя фотоны, похожие на те, которые используются в диагностической радиографии».

Исследователи предположили, что поток фотонов, создаваемый массивными звёздами , будет существенно отличаться от стандартных рентгеновских сигналов, исходящих от тех же галактик со вспышкой звездообразования. В частности, они будут демонстрировать жесткий спектр (т. е. преобладание частиц высокой энергии) и угловое распространение (т. е. частицы будут двигаться в разных направлениях и под разными углами), вызванное медленными распадами частиц.

Эти различные рентгеновские сигналы могут быть, таким образом, ценным зондом для аксионов. В рамках своего исследования Витальяно и его коллеги продемонстрировали эту идею, используя рентгеновские изображения, полученные телескопом NuSTAR, показав, что это может быть многообещающим инструментом для открытия новых распадающихся частиц и исследования физики за пределами Стандартной модели.

«Аксионы, образующиеся в ядре M82, распространяются в течение десятков тысяч лет, прежде чем окончательно распадаются на фотоны, создавая ореол рентгеновских лучей, окружающий галактику», — пояснил Дамиано Фиорилло, соавтор статьи.

«Мы определили форму и интенсивность этого гало, и, проанализировав данные телескопа NuSTAR, мы не нашли никаких доказательств этого сигнала среди более чем 1 Мс наблюдений. Следовательно, сила, с которой аксион взаимодействует с фотоном, должна быть достаточно мала, и мы использовали этот аргумент, чтобы получить основные ограничения для этих слабо взаимодействующих частиц».

Хотя недавние исследования, проведенные Витальяно, Фиорилло и их коллегами, не привели к наблюдению аксионов, они позволили им изучить 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.

«Как это ни заманчиво, наблюдение аксионного сигнала в этом диапазоне масс с большим количеством данных также предоставит важную информацию о ранней Вселенной , например, указав на относительно низкую температуру повторного нагрева (т. е. температуру, при которой инфляция заканчивается и остается горячая, тепловая Вселенная, в которой доминирует излучение)», — сказал Витальяно.

«Наш аргумент можно применить к другим частицам за пределами Стандартной модели, а также к различным астрофизическим источникам, если последние достаточно горячи, чтобы производить новые частицы, но достаточно холодны, чтобы избежать больших факторов ускорения, которые замедляют распад (из-за замедления времени, хорошо известного явления в теории относительности)».

Результаты поиска аксионов, выполненного 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 с помощью наблюдений NuSTAR.

«Наша идея началась с пересмотра известной литературы о том, что аксионы могут обильно производиться в звездах», — сказал Орион Нинг, соавтор второй статьи , в интервью Phys.org. «Мы хотели поиграть с новой идеей о том, как мы могли бы максимизировать аксионный сигнал, предсказывая количество аксионов, производимых крупнейшими звёздными популяциями, которые мы могли бы себе представить — галактиками.

«Эта простая идея, которая в прошлом уже реализовывалась в гораздо меньших масштабах, показала себя многообещающей в достижении нового пространства параметров аксионов, особенно с помощью разумно выбранных галактик, звёздное население которых может эффективно генерировать аксионы, например, M82».

Поняв, что M82 и другие галактики со вспышкой звездообразования могут быть сильными зондами для физики аксионов, Нинг и его коллега Бенджамин Р. Сафди также решили проверить эту идею. Основа их поиска коренилась в том, что обычно называют астрофизическим экспериментом «свет-сияющий-сквозь-стены».

«Первым шагом этого эксперимента является предсказание производства аксионов внутри звёздных недр звёздной популяции галактики, которое происходит из фотонов в плазме звезды, преобразующихся в аксионы», — объяснил Нинг. «Затем эти аксионы вытекают из звезды, и по мере того, как они движутся к нам, они могут взаимодействовать с магнитными полями галактики, а затем снова превращаться в фотон. Все это опосредовано тем, насколько сильно аксион взаимодействует с электромагнетизмом, что позволяет ему затем «превращаться» в фотоны и наоборот».

Подобно Витальяно и его коллегам, Нинг и Сафди также проанализировали данные, собранные рентгеновским телескопом NuSTAR, в поисках тех же сигнатур «света», вызванного аксионами. Хотя они также не идентифицировали рентгеновские сигнатуры, которые могли бы намекнуть на присутствие аксионов, их усилия установили дополнительные строгие ограничения на силу взаимодействий между аксионами с очень малыми массами (то есть легче 10 -10 эВ) и фотонами.

«Вероятно, самым заметным достижением нашей работы является использование этой очень простой идеи — использование многих, многих звезд вместо одной или нескольких — для фактического максимизации количества аксионов, которые мы могли бы обнаружить, глядя на астрофизические объекты», — сказал Нин. «Удивительно, что мы можем исследовать большую полосу пространства параметров аксионов (масса и связь) в этой работе, и мы думаем, что, открыв дверь к использованию целых звёздных популяций, мы сможем сделать большие шаги к окончательному обнаружению — или, по крайней мере, сужению — того, где может находиться аксион».

Нинг и Сафди теперь планируют дальнейшие исследования, которые будут основываться на той же идее. В своих будущих исследованиях они планируют провести похожий тип поиска, который вместо этого будет рассматривать связь аксионов с электронами, таким образом сосредоточившись на галактических звёздных популяциях, которые могли бы производить аксионы, возникающие из электронных взаимодействий.

«Точно так же мы сейчас завершаем ещё одну вариацию этой истории, в которой аксионы могут быть получены путём соединения с нуклонами (то есть нейтронами и протонами), и есть несколько интересных механизмов, посредством которых это может произойти, включая ядерную физику и химию», — добавил Нин.

«Есть и множество других идей, с которыми мы работаем. Проблема в том, что мы не знаем точно, как может появиться аксион, поэтому нам приходится продолжать исследовать все возможные направления, если мы хотим окончательно обнаружить — или исключить — аксион».

Витальяно и его коллеги также планируют дополнительные исследования для изучения различных моделей частиц и зондирования частиц, которые могут оставаться близко к своему источнику из-за гравитационного притяжения, формируя «бассейн». Они попытаются наблюдать этот предполагаемый бассейн вокруг M82, также полагаясь на данные с других телескопов, таких как INTEGRAL.

Контакты, администрация и авторы