Naukowcy uważają, że obserwacja promieni gamma pochodzących z supernowej może potwierdzić istnienie aksjonów, potencjalnie rozwiązując zagadkę ciemnej materii.
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley sugerują, że wykrycie tych cząstek zrewolucjonizowałoby nasze rozumienie Wszechświata i opowiadają się za ulepszeniem teleskopów promieni gamma do uchwycenia tego rzadkiego zdarzenia.
Odsłonięcie ciemnej materii: rola supernowych
Poszukiwania ciemnej materii Wszechświata mogą zakończyć się jutro – jeśli w pobliżu pojawi się supernowa i odrobina szczęścia.
Przez 90 lat naukowcy zastanawiali się nad ciemną materią – niewidzialną substancją stanowiącą 85% całkowitej materii Wszechświata. Pomimo jej kluczowej roli w strukturze i dynamice kosmosu, nie można jej bezpośrednio obserwować za pomocą teleskopów. Do czołowych kandydatów do wyjaśnienia ciemnej materii należy aksjon, teoretyczna lekka cząstka, która urzeka badaczy na całym świecie.
Odkrywanie osi poprzez promienie gamma
Astrofizycy z Uniwersytet Kalifornijski w Berkeleyproponują, że wykrycie aksjów mogłoby być możliwe w ciągu kilku sekund od obserwacji promieni gamma z pobliskiej supernowej. W ciągu pierwszych 10 sekund po zapadnięciu się masywnej gwiazdy w gwiazda neutronowaaksjony – jeśli istnieją – zostałyby wygenerowane w ogromnych ilościach. Osie te uciekłyby następnie z zapadającej się gwiazdy i oddziaływały z jej intensywnym polem magnetycznym, przekształcając się w wysokoenergetyczne promienie gamma wykrywalne z Ziemi.
Takie wykrycie jest dziś możliwe tylko wtedy, gdy samotny teleskop promieniowania gamma na orbicie, Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermiego, będzie skierowany w stronę supernowej w momencie jej wybuchu. Biorąc pod uwagę pole widzenia teleskopu, jest to jedna szansa na 10.
Wyzwanie polegające na wykryciu promieni gamma
Jednak pojedyncze wykrycie promieni gamma umożliwiłoby określenie masy aksjonu, w szczególności tak zwanego aksjonu QCD, w ogromnym zakresie mas teoretycznych, w tym zakresów mas obecnie sprawdzanych w eksperymentach na Ziemi. Jednakże brak detekcji wyeliminowałby duży zakres potencjalnych mas aksjonu i sprawił, że większość obecnych poszukiwań ciemnej materii stałaby się nieistotna.
Problem polega na tym, że aby promienie gamma były wystarczająco jasne, aby je wykryć, supernowa musi znajdować się w pobliżu – w naszym zasięgu. Droga Mleczna galaktyka lub jedna z jej galaktyk satelitarnych — a pobliskie gwiazdy eksplodują średnio tylko co kilka dekad. Ostatnia pobliska supernowa miała miejsce w 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana, jednym z satelitów Drogi Mlecznej. W tamtym czasie nieistniejący już teleskop promieniowania gamma, Solar Maximum Mission, wskazywał w stronę supernowej, ale nie był na tyle czuły, aby móc wykryć przewidywaną intensywność promieni gamma – wynika z analizy zespołu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. .
Postęp w technologii wykrywania promieni gamma
„Gdybyśmy zobaczyli supernową, taką jak supernowa 1987A, za pomocą nowoczesnego teleskopu promieniowania gamma, bylibyśmy w stanie wykryć lub wykluczyć ten najciekawszy aksjon QCD w dużej części jego przestrzeni parametrów – zasadniczo w całym parametrze przestrzeń, której nie można zbadać w laboratorium, a także znaczną część przestrzeni parametrów, którą można zbadać w laboratorium” – powiedział Benjamin Safdi, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i starszy autor artykułu opublikowanego w Internecie 19 listopada w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego. „A wszystko to wydarzyłoby się w ciągu 10 sekund”.
Badacze obawiają się jednak, że kiedy w pobliskim wszechświecie wybuchnie dawno oczekiwana supernowa, nie będziemy gotowi, aby zobaczyć promienie gamma wytwarzane przez aksjony. Naukowcy rozmawiają obecnie z kolegami budującymi teleskopy gamma, aby ocenić wykonalność wystrzelenia jednego lub całej grupy takich teleskopów, aby pokryć 100% nieba przez całą dobę i mieć pewność, że wyłapią każdy rozbłysk gamma. Zaproponowali nawet nazwę dla swojej konstelacji satelitów emitujących promieniowanie gamma obejmujące całe niebo – GALactic AXion Instrument for Supernova, czyli GALAXIS.
„Myślę, że wszyscy piszący tę publikację jesteśmy zestresowani faktem, że nadejdzie kolejna supernowa, zanim będziemy mieli odpowiednie instrumentarium” – powiedziała Safdi. „Byłaby wielka szkoda, gdyby jutro wybuchła supernowa i przegapilibyśmy okazję do wykrycia aksjonu – mógłby nie powrócić przez kolejne 50 lat”.
Współautorami Safdi są doktorant Yujin Park oraz stypendyści ze stopniem doktora Claudio Andrea Manzari i Inbar Savoray. Wszyscy czterej są członkami wydziału fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Grupy Fizyki Teoretycznej w Lawrence Berkeley National Laboratory.
Podstawy teoretyczne i poszukiwania laboratoryjne
Poszukiwania ciemnej materii pierwotnie skupiały się na słabych, masywnych, zwartych obiektach halo (MACHO), teoretycznie rozsianych po całej naszej galaktyce i kosmosie, ale kiedy te się nie pojawiły, fizycy zaczęli szukać cząstek elementarnych, które teoretycznie są wszędzie wokół nas i powinny być wykrywalne w ziemskich laboratoriach. Te słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP) również się nie pojawiły. Obecnie najlepszym kandydatem na ciemną materię jest aksjon, cząstka, która dobrze wpasowuje się w standardowy model fizyki i rozwiązuje kilka innych wybitnych zagadek fizyki cząstek. Aksiony również wychodzą z teorii strun, hipotezy dotyczącej podstawowej geometrii Wszechświata, i mogą być w stanie ujednolicić grawitację, która wyjaśnia interakcje w skalach kosmicznych, z teorią mechaniki kwantowej, która opisuje nieskończenie małe.
„Wydaje się prawie niemożliwe, aby spójna teoria grawitacji połączona z mechaniką kwantową nie zawierała cząstek takich jak aksjon” – stwierdziła Safdi.
Najsilniejszy kandydat na aksjon, zwany aksjonem QCD – nazwany tak na cześć panującej teorii oddziaływania silnego, chromodynamiki kwantowej – teoretycznie oddziałuje z całą materią, choć słabo, poprzez cztery siły natury: grawitację, elektromagnetyzm, siłę silną, która utrzymuje atomy razem, oraz siła słaba, która wyjaśnia rozpad atomów. Jedną z konsekwencji jest to, że w silnym polu magnetycznym aksjon powinien czasami zamieniać się w falę elektromagnetyczną, lub foton. Aksjon wyraźnie różni się od innej lekkiej, słabo oddziałującej cząstki, neutrina, które oddziałuje jedynie poprzez grawitację i oddziaływanie słabe, całkowicie ignorując siłę elektromagnetyczną.
Obserwacje supernowych: klucz do Aksjon Wykrywanie
Eksperymenty laboratoryjne — takie jak konsorcjum ALPHA (Axion Longitudinal Plasma HAloskop), DMradio i ABRACADABRA, z których wszystkie biorą udział badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley — wykorzystują zwarte wnęki, które niczym kamerton rezonują i wzmacniają słabe pole elektromagnetyczne lub foton wytwarzany podczas aksjon o małej masie ulega przemianie w obecności silnego pola magnetycznego.
Alternatywnie, astrofizycy zaproponowali poszukiwanie aksjonów powstałych wewnątrz gwiazd neutronowych bezpośrednio po supernowej powodującej zapadnięcie się jądra, takiej jak 1987A. Jednak do tej pory skupiali się głównie na wykrywaniu promieni gamma pochodzących z powolnej transformacji tych osi w fotony w polach magnetycznych galaktyk. Safdi i jego współpracownicy zdali sobie sprawę, że proces ten nie jest zbyt wydajny w wytwarzaniu promieni gamma, a przynajmniej niewystarczający do wykrycia ich z Ziemi.
Zamiast tego zbadali wytwarzanie promieni gamma przez aksjony w silnych polach magnetycznych wokół samej gwiazdy, która wygenerowała aksiony. Proces ten, jak pokazały symulacje superkomputerowe, bardzo skutecznie wytwarza rozbłysk promieni gamma zależny od masy aksjonu, a rozbłysk powinien następować jednocześnie z rozbłyskiem neutrin z wnętrza gorącej gwiazdy neutronowej. Jednakże ten wybuch aksjonów trwa zaledwie 10 sekund po powstaniu gwiazdy neutronowej – po tym czasie tempo produkcji dramatycznie spada – choć na kilka godzin przed eksplozją zewnętrznych warstw gwiazdy.
Gwiazdy neutronowe jako laboratoria badań nad osiami
„To naprawdę skłoniło nas do myślenia o gwiazdach neutronowych jako optymalnych celach poszukiwania aksjonów w charakterze laboratoriów aksjonów” – powiedziała Safdi. „Gwiazdy neutronowe mają wiele do zaoferowania. Są to niezwykle gorące obiekty. Wytwarzają również bardzo silne pola magnetyczne. Najsilniejsze pola magnetyczne w naszym wszechświecie występują wokół gwiazd neutronowych, takich jak magnetary, które mają pole magnetyczne dziesiątki miliardów razy silniejsze niż cokolwiek, co możemy zbudować w laboratorium. Pomaga to przekształcić te osie w obserwowalne sygnały.
Dwa lata temu Safdi i jego współpracownicy ustalili, że najlepsza górna granica masy osi QCD wynosi około 16 milionów elektronowoltów, czyli około 32 razy mniej niż masa elektronu. Opierało się to na szybkości chłodzenia gwiazd neutronowych, które schładzałyby się szybciej, gdyby wewnątrz tych gorących, zwartych ciał powstały aksony wraz z neutrinami.
W obecnym artykule zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley nie tylko opisuje wytwarzanie promieni gamma w następstwie zapadnięcia się jądra do gwiazdy neutronowej, ale także wykorzystuje niewykrycie promieni gamma z supernowej z 1987 r., aby nałożyć najlepsze jak dotąd ograniczenia na masę aksjonu cząstki podobne, które różnią się od osi QCD tym, że nie oddziałują poprzez silne siły.
Przewidują, że wykrycie promieni gamma umożliwi im identyfikację masy aksjonu QCD, jeśli przekracza ona 50 mikroelektronowoltów (mikroeV lub μeV), czyli około jednej 10 miliardowej masy elektronu. Safdi powiedział, że pojedyncze wykrycie mogłoby zmienić kierunek istniejących eksperymentów i potwierdzić masę aksjonu. Choć flota wyspecjalizowanych teleskopów gamma to najlepsza opcja do wykrywania promieni gamma z pobliskiej supernowej, jeszcze lepszym rozwiązaniem byłoby szczęśliwe zerwanie z Fermim.
„Najlepszym scenariuszem dla aksjonów jest to, że Fermi łapie supernową. Tyle że szansa na to jest niewielka” – stwierdziła Safdi. „Ale gdyby Fermi to zobaczył, bylibyśmy w stanie zmierzyć jego masę. Bylibyśmy w stanie zmierzyć siłę jego interakcji. Bylibyśmy w stanie określić wszystko, co musimy wiedzieć o aksjonie i mielibyśmy niesamowitą pewność co do sygnału, ponieważ nie ma zwykłej materii, która mogłaby wywołać takie zdarzenie.
Odniesienie: „Osie supernowych konwertowane na promienie gamma w polach magnetycznych gwiazd progenitorowych” Claudio Andrea Manzari, Yujin Park, Benjamin R. Safdi i Inbar Savoray, 19 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211002
Badania sfinansowano ze środków Departamentu Energii USA.
