Одними из самых вероятных составляющих темной материи являются аксионы. Ученые предположили, что эти частицы могут массово образовываться при взрывах сверхновых и сразу превращаться в гамма-кванты.
Аксионы и темная материя Вселенной
Поиски темной материи Вселенной могут завершиться уже завтра — если нам повезет увидеть сверхновую. Природа темной материи ускользала от астрономов в течение 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 пытаются найти исследователи по всему миру.
Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли утверждают, что аксион может быть обнаружен за считанные секунды после обнаружения гамма-излучения от взрыва сверхновой. Эти частицы, если они существуют, должны образовываться в большом количестве в течение первых 10 секунд после коллапса ядра массивного светила. Эти аксионы порождают высокоэнергетические гамма-лучи в интенсивном магнитном поле звезды.
Такое обнаружение сегодня возможно лишь при условии, что единственный гамма-телескоп на орбите, Космический телескоп Ферми, будет направлен в сторону сверхновой в момент ее взрыва. Учитывая поле зрения телескопа, это примерно один шанс из 10.
Обнаружение аксионов в гамма-излучении
Тем не менее единственное обнаружение гамма-излучения позволило бы точно определить массу аксиона, в частности так называемого QCD-аксиона, в огромном диапазоне теоретических масс, включая диапазоны масс, которые сейчас исследуются в экспериментах на Земле. Отсутствие обнаружения, однако, исключило бы широкий диапазон потенциальных масс для аксиона и сделало бы большинство текущих поисков темной материи неактуальными.
Однако для того, чтобы гамма-лучи были достаточно яркими для обнаружения, сверхновая должна находиться поблизости — в пределах нашей Галактики или одной из ее галактик-спутников, а звезды поблизости взрываются в среднем лишь каждые несколько десятилетий. Последний взрыв близкой сверхновой произошел в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, одном из спутников Млечного Пути. В то время уже не существующий гамма-телескоп Solar Maximum Mission был направлен в сторону сверхновой, но он был недостаточно чувствительным, чтобы обнаружить прогнозируемую интенсивность гамма-излучения, согласно анализу команды Калифорнийского университета в Беркли.
Ожидание сверхновой
«Если бы мы увидели сверхновую, подобную 1987A, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить эту QCD-ось, эту самую интересную ось, в большей части ее пространства параметров — по сути, во всем пространстве параметров, которое невозможно исследовать в лаборатории, и в большей части пространства параметров, которое можно исследовать в лаборатории», — сказал Бенджамин Сафди, доцент физики из Калифорнийского университета в Беркли, старший научный сотрудник.
Однако исследователи обеспокоены тем, что когда долгожданная сверхновая вспыхнет в ближайшей вселенной, мы не будем готовы увидеть гамма-лучи, которые вырабатываются аксионами. Сейчас ученые общаются с коллегами, которые строят гамма-телескопы, чтобы оценить целесообразность запуска одного или целой флотилии таких телескопов, чтобы покрыть 100% неба 24/7 и быть уверенными в том, что они успеют поймать любую гамма-вспышку. Они даже предложили название для своего созвездия гамма-спутников, охватывающего все небо – GALactic AXion Instrument for Supernova, или GALAXIS.
Аксионы QCD и их физические свойства
Поиски темной материи первоначально были сосредоточены на слабых, массивных компактных гало-объектах (MACHO), которые теоретически разбросаны по всей галактике и космосу, но когда они не материализовались, физики начали искать элементарные частицы, которые теоретически находятся вокруг нас и должны быть обнаружены в земных лабораториях. Эти слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs) также не были обнаружены.
В настоящее время лучшим кандидатом на темную материю является аксион — частица, которая хорошо вписывается в стандартную модель физики и решает несколько других выдающихся загадок в физике элементарных частиц. Аксионы также аккуратно выпадают из теории струн, гипотезы об основной геометрии Вселенной, и, возможно, смогут объединить гравитацию, которая объясняет взаимодействие в космических масштабах, с теорией квантовой механики.
Самый сильный кандидат на роль аксиона, названный аксионом QCD (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 электромагнитную силу.
Лабораторные стендовые эксперименты, такие как ALPHA Consortium (Axion Longitudinal Plasma HAloscope), DMradio и ABRACADABRA, в которых участвуют исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, используют компактные полости, которые, подобно камертону, резонируют и усиливают слабое электромагнитное поле или фотон, образующийся, когда аксион малой массы трансформируется в присутствии сильного магнитного поля.
Модель обнаружения аксионов
Кроме того, астрофизики предложили искать аксионы, образующиеся внутри нейтронных звезд сразу после коллапса ядра сверхновой, как в 1987A. До сих пор, однако, они сосредотачивались преимущественно на обнаружении гамма-лучей от 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, чтобы обнаружить их с Земли.
Вместо этого они исследовали производство гамма-лучей аксионами в сильных магнитных полях вокруг той же звезды, которая генерировала аксионы. Этот процесс, как показало суперкомпьютерное моделирование, очень эффективно создает всплеск гамма-лучей, который зависит от массы аксиона, и этот всплеск должен происходить одновременно со всплеском нейтрино изнутри горячей нейтронной звезды. Однако этот всплеск аксионов длится лишь 10 секунд после образования нейтронной звезды — после этого скорость производства резко падает — хотя еще за несколько часов до взрыва внешних слоев звезды.
Два года назад Сафди и его коллеги установили лучший верхний предел массы аксиона QCD на уровне около 16 млн электронвольт, что примерно в 32 раза меньше массы электрона. Это было сделано на основе скорости охлаждения нейтронных звезд, которые охлаждались бы быстрее, если бы аксионы образовывались вместе с нейтрино внутри этих горячих, компактных тел.
В этой статье команда из Калифорнийского университета в Беркли не только описывает производство гамма-лучей после коллапса ядра нейтронной звезды, но и использует необнаружение гамма-лучей от сверхновой 1987A, чтобы установить наилучшие ограничения на массу аксионоподобных частиц, которые отличаются от аксионов QCD тем, что они не взаимодействуют с помощью сильных сил.
По материалам phys.org
