Тайну темной материи можно разгадать всего за 10 секунд.
Когда поблизости вспыхнет следующая сверхновая, любой гамма-телескоп, направленный в правильном направлении, может стать свидетелем не только светового шоу — он может быстро подтвердить существование одного из самых многообещающих кандидатов на темную материю.
Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли прогнозируют, что в течение первых 10 секунд после взрыва сверхновой может быть испущено достаточное количество гипотетических частиц, называемых аксионами, чтобы доказать их существование в относительно короткое время.
Учитывая, сколько лет может потребоваться, чтобы получить убедительное число другими способами, поймать аксион в результате коллапса близкой звезды было бы все равно, что выиграть в физическую лотерею.
Конечно, для этого обнаружения требуется, чтобы у нас был гамма-телескоп, который смотрит в окрестности такого взрыва в нужное время. В настоящее время эта работа ложится исключительно на космический телескоп Ферми , у которого все еще есть только 1 из 10 шансов поймать шоу.
Итак, исследователи предлагают запустить GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS) — флот гамма-спутников, которые могут постоянно следить за 100 процентами неба. Обнаружение или отсутствие аксионов во время сверхновой может быть одинаково ценным результатом, но есть дефицит времени.
«Я думаю, все мы, авторы этой статьи, обеспокоены тем, что следующая сверхновая может вспыхнуть до того, как у нас появятся необходимые приборы», — говорит Бенджамин Сафди , доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли.
«Было бы очень обидно, если бы завтра взорвалась сверхновая, и мы упустили возможность обнаружить аксион — он может появиться только через 50 лет».
Аксионы были впервые выдвинуты в 1970-х годах как потенциальное решение физической головоломки, не связанной с темной материей , сильной CP-проблемы . Предсказано, что эти частицы имеют очень маленькую массу, не имеют электрического заряда и чрезвычайно распространены во Вселенной.
Только позже другие физики поняли, что некоторые из их свойств — например, то, как они слипаются и в основном взаимодействуют с другой материей посредством гравитации — сделали их хорошими кандидатами на роль темной материи. Самое главное, одно предсказанное свойство может сделать их обнаруживаемыми.
В сильных магнитных полях аксионы должны время от времени распадаться на фотоны, поэтому обнаружение дополнительного света вблизи этих полей может их выдать. Это было основой лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений в течение десятилетий, что позволило ученым сузить диапазон масс, которые могут иметь аксионы.
Нейтронные звезды — одни из самых многообещающих мест для их поиска. Их интенсивная физика должна производить огромное количество аксионов, и, что еще лучше, сильные магнитные поля должны преобразовывать некоторые из них в обнаруживаемые фотоны.
В новой статье команда Калифорнийского университета в Беркли вычисляет, что лучшее время для обнаружения аксионов вокруг нейтронной звезды может быть на самом деле при ее рождении — когда массивная звезда взрывается как сверхновая. Новые симуляции предполагают, что всплеск аксионов будет произведен в течение первых 10 секунд после коллапса звезды, и полученный в результате всплеск гамма-излучения может раскрыть множество деталей.
Группа ученых подсчитала, что определенный тип аксиона, называемый аксионом квантовой хромодинамики (КХД), можно будет обнаружить с помощью этого метода, если его масса превышает 50 микроэлектронвольт, что составляет всего одну 10-миллиардную массы электрона.
Если аксионы действительно существуют, они могут оказаться одной из самых удобных маленьких частиц, когда-либо найденных. Одним махом они могли бы помочь нам раскрыть темную материю, сильную проблему CP, теорию струн и дисбаланс материи/антиматерии.
Гипотеза готова к проверке – теперь нам осталось только дождаться следующей сверхновой поблизости. Это может произойти сегодня или через десятилетие, и если Ферми наблюдает за нужным участком неба, мы могли бы ответить на некоторые из самых глубоких вопросов науки за считанные секунды.
«Наилучшим сценарием для аксионов является то, что Ферми поймает сверхновую», — говорит Сафди .
«Вероятность этого мала. Но если бы Ферми увидел его, мы смогли бы измерить его массу. Мы смогли бы измерить силу его взаимодействия. Мы смогли бы определить все, что нам нужно знать об аксионе, и мы были бы невероятно уверены в сигнале, потому что нет обычной материи, которая могла бы создать такое событие».
Прочитайте что такое взгляд в будущее