_ O supernova din apropiere ar putea pune capăt căutării materiei întunecate

Căutarea materiei întunecate a universului s-ar putea încheia mâine — având în vedere o supernova în apropiere și puțin noroc. Natura materiei întunecate a ocolit astronomilor timp de 90 de ani, de la realizarea faptului că 85% din materia din univers nu este vizibilă prin telescoapele noastre. Cel mai probabil candidat de materie întunecată astăzi este axionul, o particulă ușoară pe care cercetătorii din întreaga lume încearcă cu disperare să o găsească.

Astrofizicienii de la Universitatea din California, Berkeley, susțin acum că axionul ar putea fi descoperit în interiorul secunde de la detectarea razelor gamma de la o explozie de supernovă din apropiere. Axionii, dacă ar exista, ar fi produse în cantități mari în primele 10 secunde după prăbușirea miezului unei stele masive într-o stea neutronică, iar acele axioni ar scăpa și ar fi transformate în raze gamma de înaltă energie în câmpul magnetic intens al stelei. .

O astfel de detectare este posibilă astăzi doar dacă telescopul singuratic cu raze gamma aflat pe orbită, Telescopul spațial cu raze gamma Fermi, îndreaptă spre direcția supernovei în momentul în care explodează. Având în vedere câmpul de vedere al telescopului, aceasta este aproximativ o șansă din 10.

Totuși, o singură detectare a razelor gamma ar indica masa axionului, în special așa-numitul axion QCD, pe o uriașă gama de mase teoretice, inclusiv intervalele de masă care sunt acum cercetate în experimente pe Pământ. Lipsa unei detecții, totuși, ar elimina o gamă largă de mase potențiale pentru axion și ar face ca majoritatea căutărilor actuale de materie întunecată să fie irelevante.

Problema este că, pentru ca razele gamma să fie suficient de strălucitoare pentru a detectat, supernova trebuie să fie în apropiere – în galaxia noastră Calea Lactee sau în una dintre galaxiile sale satelit – iar stelele din apropiere explodează doar în medie la fiecare câteva decenii. Ultima supernovă din apropiere a fost în 1987 în Marele Nor Magellanic, unul dintre sateliții Căii Lactee. La acea vreme, un telescop cu raze gamma, acum dispărut, Misiunea Solar Maximum, îndrepta în direcția supernovei, dar nu era suficient de sensibil pentru a putea detecta intensitatea prezisă a razelor gamma, potrivit analizei echipei UC Berkeley. .

„Dacă ar fi să vedem o supernova, precum supernova 1987A, cu un telescop modern cu raze gamma, am fi capabili să detectăm sau să excludem acest axion QCD, acest axion cel mai interesant, în mare parte din spațiul său parametric - în esență întregul spațiu al parametrilor care nu poate fi testat în laborator și o mare parte din spațiul parametrilor care poate fi testat și în laborator", a spus Benjamin Safdi, un profesor asociat de fizică la UC Berkeley și autor principal al unei lucrări care a fost publicată online pe 19 noiembrie în revista Physical Review Letters. „Și totul s-ar întâmpla în 10 secunde.”

Cercetătorii sunt îngrijorați, totuși, că atunci când supernova de mult așteptată va apărea în universul din apropiere, nu vom fi pregătiți să vedem razele gamma. produs de axioni. Oamenii de știință discută acum cu colegii care construiesc telescoape cu raze gamma pentru a evalua fezabilitatea lansării unuia sau a unei flote de astfel de telescoape care să acopere 100% din cer 24/7 și să fie siguri că captează orice explozie de raze gamma. Ei au propus chiar și un nume pentru constelația lor de sateliți cu raze gamma pe întreg cerul - GALactic AXion Instrument for Supernova, sau GALAXIS.

„Cred că toți cei de pe această lucrare suntem stresați de faptul că va exista un următor supernova înainte de a avea instrumentația potrivită”, a spus Safdi. „Ar fi o adevărată rușine dacă o supernovă ar fi declanșat mâine și am ratat o oportunitate de a detecta axionul – s-ar putea să nu se întoarcă în încă 50 de ani.”

Co-autorii lui Safdi sunt studentul absolvent Yujin Park și postdoctorali Claudio Andrea Manzari și Inbar Savoray. Toți patru sunt membri ai departamentului de fizică al UC Berkeley și ai Grupului de fizică teoretică de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley.

Căutările de materie întunecată s-au concentrat inițial pe obiecte compacte și slabe (MACHO) presărate teoretic în galaxia noastră și în cosmos, dar când acestea nu s-au concretizat, fizicienii au început să caute particule elementare care, teoretic, sunt peste tot în jurul nostru și ar trebui să fie detectabile în laboratoarele de pe Pământ. De asemenea, aceste particule masive care interacționează slab (WIMP) nu au reușit să apară.

Cel mai bun candidat actual pentru materia întunecată este axionul, o particulă care se încadrează bine în modelul standard al fizicii și rezolvă câteva alte puzzle-uri remarcabile în fizica particulelor. De asemenea, axiunile nu se încadrează în teoria corzilor, o ipoteză despre geometria de bază a universului, și ar putea fi capabile să unifice gravitația, ceea ce explică interacțiunile la scară cosmică, cu teoria mecanicii cuantice, care descrie infinitezimalul.

„Pare aproape imposibil să existe o teorie consistentă a gravitației combinată cu mecanica cuantică care să nu aibă particule precum axionul.” a spus Safdi.

Cel mai puternic candidat pentru un axion, numit axion QCD – numit după teoria dominantă a forței puternice, cromodinamica cuantică – interacționează teoretic cu toată materia, deși slab, prin cele patru forțe ale naturii. : gravitația, electromagnetismul, forța puternică, care ține atomii împreună și forța slabă, care explică ruperea atomi.

O consecință este că, într-un câmp magnetic puternic, un axion ar trebui să se transforme ocazional într-o undă electromagnetică sau foton. Axionul este net diferit de o altă particulă ușoară, cu interacțiune slabă, neutrino, care interacționează doar prin gravitație și forța slabă și ignoră total forța electromagnetică.

Experimentele de laborator, cum ar fi Consorțiul ALPHA ( Axion Longitudinal Plasma HAloscope), DMradio și ABRACADABRA, toate care implică cercetători de la UC Berkeley, folosesc cavități compacte care, cum ar fi un diapazon, rezonează și amplifica câmpul electromagnetic slab sau fotonul produs atunci când un axion de masă mică se transformă în prezența unui câmp magnetic puternic.

În mod alternativ, astrofizicienii au propus căutarea axionilor produși în interiorul stelelor neutronice. imediat după o supernovă cu colaps al miezului, cum ar fi 1987A. Până acum, însă, ei s-au concentrat în primul rând pe detectarea razelor gamma din transformarea lentă a acestor axioni în fotoni în câmpurile magnetice ale galaxiilor. Safdi și colegii săi și-au dat seama că acel proces nu este foarte eficient la producerea de raze gamma, sau cel puțin nu este suficient pentru a le detecta de pe Pământ.

În schimb, au explorat producerea de raze gamma de către axioni în câmpurile magnetice puternice. în jurul stelei care a generat axiunile. Acest proces, au arătat simulările cu supercomputer, creează foarte eficient o explozie de raze gamma care depinde de masa axionului, iar explozia ar trebui să aibă loc simultan cu o explozie de neutrini din interiorul stelei neutronice fierbinți. Acea explozie de axioni, totuși, durează doar 10 secunde după formarea stelei cu neutroni – după aceea, rata de producție scade dramatic – deși cu câteva ore înainte ca straturile exterioare ale stelei să explodeze.

„Acest lucru a condus cu adevărat. ne gândim la stelele neutronice ca ținte optime pentru căutarea axionilor ca laboratoare de axioni”, a spus Safdi. "Stelele cu neutroni au o mulțime de lucruri pentru ele. Sunt obiecte extrem de fierbinți. De asemenea, găzduiesc câmpuri magnetice foarte puternice. Cele mai puternice câmpuri magnetice din universul nostru se găsesc în jurul stelelor neutronice, cum ar fi magnetarele, care au câmpuri magnetice de zeci de miliarde. de ori mai puternic decât orice putem construi în laborator, ceea ce ajută la transformarea acestor axioni în semnale observabile.

Acum doi ani, Safdi și colegii săi au stabilit cea mai bună limită superioară a masei axionului QCD la aproximativ 16 milioane de electroni volți, sau de aproximativ 32 de ori mai puțin decât masa electronului. Aceasta s-a bazat pe viteza de răcire a stelelor neutronice, care s-ar răci mai repede dacă s-ar produce axioni împreună cu neutrini în interiorul acestor corpuri fierbinți și compacte.

În lucrarea actuală, echipa UC Berkeley nu descrie doar producția. a razelor gamma după prăbușirea miezului la o stea neutronică, dar folosește și nedetecția razelor gamma de la supernova din 1987A pentru a impune cele mai bune constrângeri de până acum asupra masei axionilor. particule, care diferă de axionii QCD prin faptul că nu interacționează prin intermediul forței puternice.

Ei prezic că o detectare a razei gamma le-ar permite să identifice masa axionului QCD dacă aceasta este peste 50 de microelectroni volți (micro -eV sau μeV), sau aproximativ o 10 miliarde din masa electronului. O singură detectare ar putea reorienta experimentele existente pentru a confirma masa axionului, a spus Safdi. În timp ce o flotă de telescoape dedicate cu raze gamma este cea mai bună opțiune pentru detectarea razelor gamma de la o supernovă din apropiere, o pauză norocoasă cu Fermi ar fi și mai bună.

„Cel mai bun scenariu pentru axioni este prinderile Fermi. o supernovă este doar că șansa de asta este mică”, a spus Safdi. „Dar dacă Fermi l-ar vedea, am fi capabili să-i măsurăm masa. Am fi capabili să-i măsurăm puterea de interacțiune. Am fi capabili să stabilim tot ce trebuie să știm despre axion și am fi incredibil de încrezător în semnal, deoarece nu există nicio materie obișnuită care ar putea crea un astfel de eveniment.”

(Fluierul)