Поиск тёмной материи
Тёмная материя — это гипотетический вид материи, который не излучает, не поглощает и не отражает свет. Считается, что она составляет большую часть массы Вселенной. Поиски тёмной материи пока не дали окончательных результатов.
Аксионы — это гипотетические элементарные частицы, впервые предложенные в 1970-х годах. Они являются одними из наиболее перспективных кандидатов на роль тёмной материи.
Недавние исследования
Две исследовательские группы, одна из которых базируется в Падуанском университете, 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, используя рентгеновские изображения галактик, собранные с помощью ядерного спектроскопического телескопа NuSTAR.
Их статьи, опубликованные в журнале Physical Review Letters, устанавливают ещё более строгие ограничения на свойства аксионов, открывая новые возможности для будущих поисков этих неуловимых кандидатов в тёмную материю.
Комментарии исследователей
«Пока рано делать окончательные выводы, но примечательно, что поиски на Большом адронном коллайдере и в экспериментах по прямому обнаружению слабо взаимодействующих массивных частиц не дали положительных результатов. Это усиливает интерес к новым частицам с массой ниже ГэВ, которые очень слабо взаимодействуют с обычным веществом», — сказал Эдоардо Витаглиано, соавтор первой статьи.
Идея исследования
В своей недавней статье Витаглиано и его коллеги попытались оценить потенциал нового метода поиска аксионов, который специально нацелен на обнаружение их взаимодействий с фотонами. Известно, что звёзды генерируют большое количество лёгких частиц; например, звёздная плазма постоянно производит нейтрино, которые могут легко ускользать из-за их слабого взаимодействия с другими частицами. Идея исследования заключается в том, что аксионы могут быть произведены в ходе подобных процессов, в которых фотоны могут слабо взаимодействовать с ними.
«Массивные звёзды в галактиках со вспышками звёздообразования, таких как M82 (галактика Сигара), в которых звёзды образуются с исключительно высокой скоростью, могут обильно производить аксионы, которые выходят из плотных ядер и впоследствии распадаются за пределами звёзд», — сказал Витаглиано.
Результаты исследования
Исследователи предположили, что поток фотонов, производимый массивными звёздами, будет значительно отличаться от стандартных рентгеновских сигналов, исходящих из тех же галактик со вспышками звёздообразования. Они будут иметь жёсткий спектр (т. е. преобладание частиц с высокой энергией) и угловое распределение (т. е. частицы будут двигаться в разных направлениях и под разными углами), вызванное медленным распадом частиц.
Эти различные рентгеновские сигналы могут стать ценным инструментом для поиска аксионов. В рамках своего исследования Витаглиано и его коллеги продемонстрировали эту идею, используя рентгеновские изображения, собранные с помощью телескопа NuSTAR, показав, что он может быть перспективным инструментом для обнаружения новых распадающихся частиц и изучения физики за пределами Стандартной модели.
«Аксионы, произведённые в ядре M82, распространяются в течение десятков тысяч лет, прежде чем окончательно распадутся на фотоны, создавая ореол рентгеновского излучения, окружающий галактику», — объяснил Дамиано Фиорилло, соавтор статьи.
«Мы определили форму и интенсивность этого ореола и, анализируя данные телескопа NuSTAR, не обнаружили доказательств наличия этого сигнала среди более чем 1 Мс наблюдений. Следовательно, сила, с которой аксион взаимодействует с фотоном, должна быть достаточно малой, и мы использовали этот аргумент для получения ведущих ограничений на эти слабо взаимодействующие частицы».
Хотя недавний поиск, проведённый Витаглиано, Фиорилло и их коллегами, не привёл 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.
«Увлекательно, что наблюдение сигнала аксиона в этом диапазоне масс с дополнительными данными также может предоставить важную информацию о ранней Вселенной, например, указывая на относительно низкую температуру повторного нагрева (т. е. температуру, при которой заканчивается инфляция и остаётся горячая, термальная, радиационно-доминируемая Вселенная)», — сказал Витаглиано.
Выводы
Выводы поиска аксионов, проведённого Витаглиано и его коллегами, были опубликованы примерно в то же время, что и выводы аналогичного поиска, проведённого двумя исследователями из Калифорнийского университета в Беркли. Эта вторая исследовательская группа также пришла к выводу, что аксионы можно исследовать с помощью наблюдений NuSTAR.
«Наша идея началась с пересмотра хорошо известной литературы, в которой говорится, что аксионы могут обильно производиться в звёздах», — сказал Орион Нинг, соавтор второй статьи. «Мы хотели поиграть с новой идеей о том, как мы могли бы максимизировать сигнал аксиона, предсказав количество аксионов, производимых из крупнейших популяций звёзд, о которых мы могли подумать, — галактик».
После того как исследователи поняли, что M82 и другие галактики со вспышками звёздообразования могут быть сильными зондами для аксионной физики, Нинг и его коллега Бенджамин Р. Сафди также решили проверить эту идею. Основой их поиска стал так называемый астрофизический эксперимент «свет сквозь стены».
«Первый шаг этого эксперимента — предсказание производства аксионов внутри звёздных недр популяции звёзд галактики, которое происходит из-за преобразования фотонов в плазме звезды в аксионы», — объяснил Нинг. «Эти аксионы затем выходят из звезды, и, когда они движутся к нам, они могут взаимодействовать с магнитными полями галактики и затем преобразовываться обратно в фотон».
Аналогично Витаглиано и его коллеги, Нинг и Сафди также проанализировали данные, собранные с помощью рентгеновского телескопа NuSTAR, в поисках тех же признаков аксионно-индуцированного «света». Хотя они также не идентифицировали рентгеновские сигнатуры, которые могли бы указывать на присутствие аксионов, их усилия установили дальнейшие строгие ограничения на силу взаимодействий между аксионами с очень малыми массами (т. е. легче 10$^{-10}$ эВ) и фотонами.
«Вероятно, самым заметным достижением нашей работы является использование этой очень простой идеи — использования множества звёзд вместо одной или нескольких — для максимизации количества аксионов, которые мы могли бы обнаружить, наблюдая за астрономическими объектами», — сказал Нинг. «Интересно, что мы можем исследовать большую часть пространства параметров аксионов (масса и связь) в этой работе, и мы думаем, что, открыв дверь для использования целых популяций звёзд, мы сможем добиться значительных успехов в окончательном обнаружении — или, по крайней мере, сужении — места, где аксион может быть».
Нинг и Сафди планируют дальнейшие исследования, основанные на той же идее. В своих будущих исследованиях они планируют провести аналогичный поиск, который вместо этого рассмотрит связь аксионов с электронами, сосредоточив внимание на галактических звёздных популяциях, которые могли бы производить аксионы, происходящие от взаимодействий с электронами.
«Аналогично, мы в настоящее время завершаем ещё одну вариацию этой истории, где аксионы могут быть произведены путём связи с нуклонами (т. е. 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 аксион может появиться, поэтому мы должны продолжать исследовать все направления, о которых мы можем подумать, если мы хотим окончательно обнаружить — или исключить — аксион».
Витаглиано и его коллеги также планируют дополнительные исследования для изучения различных моделей частиц и зондирования частиц, которые могли бы оставаться близко к своему источнику из-за гравитационного притяжения, накапливаясь в «бассейне». Они попытаются наблюдать этот предполагаемый бассейн вокруг M82, также полагаясь на данные других телескопов, таких как INTEGRAL.
© 2025 Science X Network