Аксионы - рождённые в огне: новое слово в изучении темной материи

В далекой вселенной столкновение двух чрезвычайно плотных, коллапсированных звезд может помочь раскрыть тайны аксиона - кандидата в темную материю, впервые предложенного полвека назад.

Останки этих звезд - нейтронные звезды, образовавшиеся после коллапса массивных звезд. Эти "мертвые" звезды настолько плотны, что их электроны коллапсируют на протоны, образуя нейтронную звезду. Их экстремальная плотность делает их местом для изучения экзотической физики, в частности, они предлагаются как источник аксионов - гипотетических частиц, которые могут вносить вклад в содержание темной материи вселенной.

Новое исследование, опубликованное в начале этого месяца в журнале Physical Review Letters, ограничивает возможности взаимодействия аксионоподобных частиц с фотонами на основе спектральных и временных данных о слиянии нейтронных звезд, произошедшем примерно в 130 световых годах от нас.

Аксионоподобные частицы (ALP) являются более общим классом гипотетических кандидатов в темную материю, чем аксионы. Ученые считают, что их природа может быть раскрыта путем изучения фотонов и ограничения диапазона масс этих частиц. Аксионоподобные частицы, возникшие в результате слияния нейтронных звезд, выходят из остатка слияния и распадаются обратно на два фотона, производя электромагнитный сигнал, который можно обнаружить телескопами. Данные были собраны из наблюдений за столкновением в 2017 году, проведенных с помощью космического телескопа Fermi.

"Слияние нейтронных звезд представляет уникальную возможность получить сигнал фотонов," - сказал в телефонном разговоре с Gizmodo физик Бхупал Дев из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и ведущий автор исследования. "Мы можем использовать эти данные для исследования новой физики за пределами Стандартной модели."

Темная материя, по всей видимости, составляет 27% вселенной, но она настолько слабо взаимодействует с обычным веществом, что ученые могут обнаружить ее только через ее гравитационные эффекты на видимое вещество. Среди популярных кандидатов в темную материю - WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы), скрытые (или темные) фотоны, массивные компактные гало-объекты (MACHO) и, конечно же, аксионы.

Аксион - гипотетическая частица, предложенная в 1970-х годах как решение проблемы сильной CP-инвариантности в физике, описывающей факт, что поведение кварков согласно законам физики остается неизменным даже при замене частиц на их зеркальные образы.

Нейтронные звезды являются одними из самых плотных объектов во вселенной, уступая только черным дырам. В отличие от черных дыр, свет может покидать нейтронные звезды, делая их наблюдаемыми в электромагнитном спектре.

Дев объясняет, что аксионы могут возникать при слиянии нейтронных звезд несколькими способами, если аксионы действительно взаимодействуют с фотонами. Через коалесценцию фотонов аксионы могут возникать из слияния фотонов в интенсивно горячей астрофизической среде. Другой способ - через процесс Примакова, когда фотон взаимодействует с электронами, производя аксионы. Аксион, как предполагается, настолько мал, что иногда ведет себя больше как волна, чем как частица, что позволяет ему легко покидать место "преступления". Но поскольку протон (относительно) массивен, для появления частицы из этого горячего взаимодействия требуется некоторое время. В частности, наблюдается задержка в 1,7 секунды между сигналом гравитационных волн от слияния нейтронных звезд и электромагнитным сигналом от него.

На Земле также проводятся эксперименты для уточнения потенциальных диапазонов масс аксиона. Эксперименты LUX-Zeplin, XENON-1T и ALPS II, начавшие свою работу в мае 2023 года, все они направлены на поиски аксионов глубоко под землей. Но также ведутся и другие проекты, такие как ADMX и Pathfinder радио поиска темной материи, работающие над ограничением диапазона масс скрытых (или темных) фотонов, другого класса кандидатов в темную материю. Будущие поколения радио поиска темной материи будут охотиться за аксионами.

Поиск аксионов можно сравнить с использованием металлоискателя на очень, очень большом пляже. Чаще всего физики и астрономы ничего не обнаруживают. Но поиск в полном диапазоне потенциальных масс для аксионов и аксионоподобных частиц - лучший способ в конечном итоге их обнаружить.