Одними з найімовірніших складових темної матерії є аксіони. Вчені припустили, що ці частинки можуть масово утворюватися під час вибухів наднових і одразу перетворюватися на гамма-кванти.
Аксіони й темна матерія Всесвіту
Пошуки темної матерії Всесвіту можуть завершитися вже завтра — якщо нам пощастить побачити наднову. Природа темної матерії вислизала від астрономів протягом 90 років, відтоді як вони зрозуміли, що 85% матерії у Всесвіті не видно в наші телескопи. Найбільш ймовірним кандидатом на роль темної матерії сьогодні є аксіон — легка частинка, яку відчайдушно намагаються знайти дослідники по всьому світу.
Астрофізики з Каліфорнійського університету в Берклі стверджують, що аксіон може бути виявлений за лічені секунди після виявлення гамма-випромінювання від вибуху наднової. Ці частинки, якщо вони існують, мають утворюватися у великій кількості протягом перших 10 секунд після колапсу ядра масивного світила. Ці аксіони породжують високоенергетичні гамма-промені в інтенсивному магнітному полі зорі.
Таке виявлення сьогодні можливе лише за умови, що єдиний гамма-телескоп на орбіті, Космічний телескоп Фермі, буде спрямований у бік наднової в момент її вибуху. Враховуючи поле зору телескопа, це приблизно один шанс із 10.
Виявлення аксіонів у гамма-випромінюванні
Проте єдине виявлення гамма-випромінювання дозволило б точно визначити масу аксіона, зокрема так званого QCD-аксіона, у величезному діапазоні теоретичних мас, включно з діапазонами мас, які зараз досліджуються в експериментах на Землі. Відсутність виявлення, однак, виключила б широкий діапазон потенційних мас для аксіона і зробила б більшість поточних пошуків темної матерії неактуальними.
Однак для того, щоб гамма-промені були достатньо яскравими для виявлення, наднова повинна перебувати поблизу — в межах нашої Галактики або однієї з її галактик-супутників, а зорі поблизу вибухають в середньому лише кожні кілька десятиліть. Останній вибух близької наднової стався 1987 року у Великій Магеллановій Хмарі, одному із супутників Чумацького Шляху. У той час гамма-телескоп Solar Maximum Mission, який вже не існує, був спрямований у напрямку наднової, але він був недостатньо чутливим, щоб виявити прогнозовану інтенсивність гамма-випромінювання, згідно з аналізом команди Каліфорнійського університету в Берклі.
Очікування наднової
«Якби ми побачили наднову, подібну до 1987A, за допомогою сучасного гамма-телескопа, ми змогли б виявити або виключити цю QCD-вісь, цю найцікавішу вісь, у більшій частині її простору параметрів — по суті, у всьому просторі параметрів, який неможливо дослідити в лабораторії, і в більшій частині простору параметрів, який можна дослідити в лабораторії», — сказав Бенджамін Сафді, доцент фізики з Каліфорнійського університету в Берклі, старший науковий співробітник.
Однак дослідники стурбовані тим, що коли довгоочікувана наднова спалахне в найближчому всесвіті, ми не будемо готові побачити гамма-промені, які виробляються аксіонами. Зараз вчені спілкуються з колегами, які будують гамма-телескопи, щоб оцінити доцільність запуску одного або цілої флотилії таких телескопів, щоб покрити 100% неба 24/7 і бути впевненими в тому, що вони встигнуть зловити будь-який гамма-спалах. Вони навіть запропонували назву для свого сузір’я гамма-супутників, що охоплює все небо — GALactic AXion Instrument for Supernova, або GALAXIS.
Аксіони QCD та їхні фізичні властивості
Пошуки темної матерії спочатку були зосереджені на слабких, масивних компактних гало-об’єктах (MACHO), які теоретично розкидані по всій галактиці і космосу, але коли вони не матеріалізувалися, фізики почали шукати елементарні частинки, які теоретично перебувають навколо нас і мають бути виявлені в земних лабораторіях. Ці слабко взаємодіючі масивні частинки (WIMPs) також не були виявлені.
Наразі найкращим кандидатом на темну матерію є аксіон — частинка, яка добре вписується в стандартну модель фізики й пояснює кілька інших видатних загадок у фізиці елементарних частинок. Аксіони також акуратно випадають з теорії струн, гіпотези про основну геометрію Всесвіту, і, можливо, зможуть об’єднати гравітацію, яка пояснює взаємодію в космічних масштабах, з теорією квантової механіки.
Найсильніший кандидат на роль аксіона, названий аксіоном QCD (на честь панівної теорії сильної взаємодії, квантової хромодинаміки), теоретично взаємодіє з усією матерією, хоча і слабко, через чотири сили природи: гравітацію, електромагнетизм, сильну взаємодію, яка утримує атоми разом, і слабку взаємодію, яка пояснює розпад атомів.
Одним із наслідків цього є те, що в сильному магнітному полі аксіон повинен час від часу перетворюватися на електромагнітну хвилю або фотон. Аксіон помітно відрізняється від іншої легкої, слабко взаємодіючої частинки — нейтрино, яка взаємодіє лише через гравітацію і слабку взаємодію та повністю ігнорує електромагнітну силу.
Лабораторні стендові експерименти, такі як ALPHA Consortium (Axion Longitudinal Plasma HAloscope), DMradio і ABRACADABRA, в яких беруть участь дослідники з Каліфорнійського університету в Берклі, використовують компактні порожнини, які, подібно до камертона, резонують і підсилюють слабке електромагнітне поле або фотон, що утворюється, коли аксіон малої маси трансформується в присутності сильного магнітного поля.
Модель виявлення аксіонів
Крім того, астрофізики запропонували шукати аксіони, що утворюються всередині нейтронних зір одразу після колапсу ядра наднової, як у 1987A. Досі, однак, вони зосереджувалися переважно на виявленні гамма-променів від повільного перетворення цих аксіонів на фотони в магнітних полях галактик. Сафді та його колеги зрозуміли, що цей процес не дуже ефективний для виробництва гамма-променів або принаймні недостатньо ефективний, щоб виявити їх із Землі.
Натомість вони дослідили виробництво гамма-променів аксіонами в сильних магнітних полях навколо тієї самої зорі, яка генерувала аксіони. Цей процес, як показало суперкомп’ютерне моделювання, дуже ефективно створює сплеск гамма-променів, який залежить від маси аксіона, і має відбуватися одночасно зі сплеском нейтрино зсередини гарячої нейтронної зорі. Однак цей сплеск аксіонів триває лише 10 секунд після утворення нейтронної зорі — після цього швидкість виробництва різко падає — хоча ще за кілька годин до вибуху зовнішніх шарів зорі.
Два роки тому Сафді та його колеги встановили найкращу верхню межу маси аксіона QCD на рівні близько 16 млн електронвольт, що приблизно в 32 рази менше за масу електрона. Це було зроблено на основі швидкості охолодження нейтронних зір, які охолоджувались би швидше, якби аксіони утворювались разом з нейтрино всередині цих гарячих, компактних тіл.
У цій статті команда з Каліфорнійського університету в Берклі не тільки описує виробництво гамма-променів після колапсу ядра нейтронної зорі, але й використовує невиявлення гамма-променів від наднової 1987A, щоб встановити найкращі обмеження на масу аксіоноподібних частинок, які відрізняються від аксіонів QCD тим, що вони не взаємодіють за допомогою сильних сил.
За матеріалами phys.org
