Den igangværende søgning efter mørkt stof, den undvigende type stof, der ikke udsender, absorberer eller reflekterer lys og estimeres til at redegøre for det meste af universets masse, har endnu ikke givet endelige resultater. Aksioner, hypotetiske elementære partikler, der først blev teoretiseret i 1970’erne, er blandt de mest lovende kandidater til mørkt stof.
To forskellige forskningsgrupper, den ene er baseret på Università di Padova, Universidad de Zaragoza/Tu Dortmund, Deutsches Elektronen-Synchrotron Desy og SLAC National Accelerator Laboratory og det andet på University of California, Berkeley (UC Berkeley), udførte for nylig uafhængige søgninger efter aksioner ved hjælp Teleskoparray (Nustar).
Deres papirer, som begge offentliggøres i Fysiske gennemgangsbrevesæt endnu strengere begrænsninger på egenskaberne ved aksioner, samtidig med at de åbner nye muligheder for den fremtidige søgning efter disse undvigende mørke stofskandidater.
“Selvom det er alt for tidligt at træffe en endelig dom, er det bemærkelsesværdigt, at søgninger på LHC og ved svagt at interagere med massive partikel-direkte detektionseksperimenter rapporterede nulresultater, hvilket øger den stadigt voksende interesse for nye under-Gev-partikler, der parrer meget svagt til den almindelige sag,” Edoardo Vitagliano, medforfatter til det første papir, fortalte LektieForum.
“I denne henseende er aksioner nogle af de bedste kandidater i øjeblikket for fysik ud over standardmodellen. De er en generalisering af QCD-aksionen, en ny partikel, der oprindeligt blev foreslået i slutningen af 1970’erne for at løse det såkaldte stærke CP-problem.”
I deres nylige artikel begyndte Vitagliano og hans kolleger at vurdere potentialet i en splinterny sonde til udførelse af axionssøgninger, som specifikt sigter mod at opdage deres interaktion med fotoner. Stjerner vides at generere en stor mængde lyspartikler; For eksempel producerer en stjernelig plasma konstant neutrinoer, som let kan undslippe på grund af deres svage interaktioner med andre partikler. Ideen bag holdets undersøgelse er, at aksioner kan produceres under lignende processer, hvor fotoner svagt kan interagere med dem.
“Massive stjerner inden for Starburst -galakser såsom M82 (cigaret galakse), hvor stjerner dannes med en usædvanlig høj hastighed, kan rigeligt producere aksioner, der går ud fra de tætte kerner og derefter forfaldes uden for stjernerne,” sagde Vitagliano. “Da temperaturen i så massive stjerner kan nå 100 millioner Kelvin, kan den energi, som aksioner skydes fra kernerne, være omkring 100 keV – hvilket producerer fotoner, der ligner dem, der bruges til diagnostisk radiografi.”
Forskerne teoretiserede, at fotonfluxen produceret af massive stjerner ville være markant forskellige fra standard røntgensignaler, der stammer fra de samme starburst-galakser. Specifikt ville de udvise et hårdt spektrum (dvs. domineret af højenergipartikler) og vinkelspredning (dvs. med partiklerne, der bevæger sig i forskellige retninger og over en række vinkler), induceret af langsomme partikler.
Disse forskellige røntgensignaler kunne således være en værdifuld sonde til aksioner. Som en del af deres undersøgelse demonstrerede Vitagliano og hans kolleger denne idé ved hjælp af røntgenbilleder indsamlet af Nustar-teleskopet, hvilket viser, at det kunne være et lovende værktøj til at opdage nye forfaldne partikler og udforske fysik ud over standardmodellen.
“De aksioner, der er produceret i kernen af M82, forplantes i titusinder af år, før de til sidst forfalder til fotoner, hvilket producerer en glorie af røntgenstråler, der omgiver galaksen,” forklarede Damiano Fiorillo, medforfatter til papiret.
“Vi har bestemt formen og intensiteten af denne halo, og ved at analysere dataene fra Nustar -teleskopet har vi ikke fundet noget bevis for dette signal blandt de over 1 ms observationer. Derfor skal styrken, som aksionen interagerer med fotonen, være tilstrækkelig lille, og vi har brugt dette argument til at opnå førende begrænsninger for disse svagt interagerende partikler.”
Mens den nylige søgning, der blev udført af Vitagliano, Fiorillo og deres kolleger, ikke førte til observation af aksioner, gjorde det muligt for dem at udforske tidligere ubeskadigede dele af parameterområdet for aksioner med masser under MEV, hvilket viser, at M82 -galaksen er et kraftfuldt laboratorium til sobling af akioner med en bred vifte af masser.
“Fristende vil observationen af et aksionssignal omkring dette masseområde med flere data også give afgørende oplysninger om det tidlige univers, for eksempel peger på et relativt lav genopvarmningstemperatur (dvs. temperaturen, hvor inflationen slutter, og en efterlades med et varmt, termisk, stråledomineret univers),” sagde Vitagliano.
“Vores argument kan anvendes på andre partikler ud over standardmodellen og også til forskellige astrofysiske kilder, så længe sidstnævnte er varme nok til at producere de nye partikler, men alligevel kolde nok til at undgå store boostfaktorer, der bremser forfaldet (på grund af tidsudvidelse, et velkendt fænomen i relativitet).”
Resultaterne af Axion Search udført af Vitagliano og hans kolleger blev offentliggjort omkring samme tid som dem i en meget lignende søgning, udført af to forskere ved UC Berkeley. Dette andet forskerteam indså også, at aksioner kunne undersøges fra Nustar -observationer.
“Vores idé startede med at revidere den velkendte litteratur om, at aksioner kan produceres rigeligt i stjerner,” sagde Orion Ning, medforfatter til det andet papir, fortalte LektieForum. “Vi ønskede at lege med den nye idé om, hvordan vi muligvis kunne maksimere aksionssignalet ved at forudsige mængden af aksioner produceret fra de største stjernernes populationer, vi kunne tænke på – galakser.
“Denne enkle idé, der er blevet udført i meget mindre skalaer i fortiden, viste løfte om at nå nyt aksionsparameterrum, især med omtanke valgte galakser, hvis stjernernes populationer effektivt kan kildesakioner, såsom M82.”
Efter at have indset, at M82 og andre Starburst -galakser kunne være stærke sonder for aksionsfysik, begyndte Ning og hans kollega Benjamin R. Safdi også at teste denne idé. Grundlaget for deres søgning var forankret i det, der ofte kaldes en astrofysisk “Lys-shining-through-vægge” eksperiment.
“Det første trin i dette eksperiment er at forudsige aksionsproduktionen inde i det stjernernes interiør i Galaxy’s Star Population, der kommer fra fotoner i stjernens plasma, der konverterer til aksioner,” forklarede Ning. “Disse aksioner strømmer derefter ud af stjernen, og når de rejser mod os, kan de interagere med magnetfelterne i galaksen og derefter omdanne tilbage til en foton. Disse er alle formidlet af, hvor stærkt aksionen interagerer med elektromagnetisme, som gør det muligt for den derefter at ‘omdanne’ til fotoner og vice versa.”
Tilsvarende som Vitagliano og hans kolleger analyserede Ning og Safdi også data indsamlet af Nustar røntgenfilskop “lys.” Mens de heller ikke identificerede røntgenstrålesignaturer, der kunne antyde tilstedeværelsen af aksioner, sætter deres bestræbelser yderligere strenge begrænsninger for styrken af interaktioner mellem aksioner med meget små masser (dvs. lettere end 10-10 ev) og fotoner.
“Sandsynligvis er den mest bemærkelsesværdige præstation af vores arbejde at udnytte denne meget enkle idé – ved hjælp af mange, mange stjerner i stedet for en eller nogle få – for faktisk at maksimere mængden af aksioner, vi ville være i stand til at opdage ved at se på astrofysiske genstande,” sagde Ning. “Spændende er vi i stand til at undersøge et stort skår af aksionsparameterrum (masse og kobling) i dette arbejde, og vi tænker ved at åbne døren for at bruge hele stjernernes populationer, vil vi være i stand til at gøre lange skridt mod endelig at opdage – eller i det mindste indsnævre – hvor aksionen måtte være.”
Ning og Safdi har nu planlagt yderligere undersøgelser, der bygger på den samme idé. I deres fremtidige forskning planlægger de at udføre en lignende type søgning, der i stedet overvejer koblingen af aksioner med elektroner og således fokuserer på galaktiske stjernernes populationer, der kan producere aksioner, der stammer fra elektroninteraktioner.
“Tilsvarende afslutter vi i øjeblikket en anden variation af denne historie, hvor aksioner kan produceres ved kobling til nukleoner (dvs. neutroner og protoner), og der er nogle interessante mekanismer, hvormed dette kan komme til, der involverer nukleær fysik og kemi,” Tilføjet Ning.
“Der er en række andre ideer, vi også spiller med – spørgsmålet er, at vi ikke ved nøjagtigt, hvordan aksionen kan dukke op, så vi er nødt til at fortsætte med at udforske alle de retninger, vi kan tænke på, hvis vi definitivt vil opdage – eller udelukke – aksionen.”
Vitagliano og hans kolleger planlægger også yderligere undersøgelser for at udforske forskellige partikelmodeller og sondepartikler, der kan forblive tæt på deres kilde på grund af gravitationsattraktion, der bygger op til en “bassin.” De vil forsøge at observere dette formodede bassin omkring M82 og også stole på data fra andre teleskoper, såsom integreret.