Попытки поймать темную материю привели к нейтронным звездам
Физики из Физико-математического института имени Кавли (Япония) провели поиск темной материи возле нейтронных звезд с помощью радиотелескопов. Они основывались на идее, что темная материя может состоять из аксионов, рассказывает портал Phys.org.
В 1970-х годах ученые обнаружили проблему в стандартной модели физики элементарных частиц — теории, которая описывает три из четырех фундаментальных сил природы (электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия; четвертая — гравитация). Оказалось, что, хотя согласно теории симметрия между частицами и силами в нашей Вселенной и ее зеркальной версии должна быть нарушена, эксперименты говорят об обратном. Это несоответствие между теорией и наблюдениями называют «сильной CP-проблемой» или нарушением CP-инвариантности.
В Стандартной модели электромагнетизм симметричен относительно C (зарядового сопряжения), которое заменяет частицы античастицами; P (четности), заменяющей все частицы их зеркальными аналогами; и T (обращения времени), которое инвертирует взаимодействия, идущие вперед во времени, на взаимодействия, идущие назад во времени, а также комбинации этих операций. Это означает, что эксперименты, чувствительные к электромагнитному взаимодействию, не должны отличать исходные системы от тех, которые были преобразованы любой из вышеупомянутых операций симметрии.
В случае электромагнитного взаимодействия теория допускает нарушения комбинированной операции симметрии CP (отражение частиц в зеркале с последующей заменой частицы на античастицу) как для слабого, так и для сильного взаимодействия. Однако нарушения CP пока наблюдаются только для слабого взаимодействия, а для сильного CP-нарушений не наблюдалось ни в одном эксперименте.
Чтобы объяснить это явление, в 1977 году физики-теоретики Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили гипотезу о новой симметрии, которая подавляет СР-нарушающие члены в сильном взаимодействии. Вскоре после этого Стивен Вайнберг и Франк Вильчек доказали, что этот механизм создает совершенно новую частицу. Вильчек назвал эту новую частицу «аксион», в честь популярного средства для мытья посуды.
Аксион должен быть очень легкой частицей, встречаться очень часто и не иметь заряда. Благодаря этим характеристикам аксионы являются отличными кандидатами в составляющие темной материи. Обнаружение того, что темная материя состоит из аксионов, было бы одним из величайших открытий современной науки.
В 1983 году физик-теоретик Пьер Сикиви обнаружил, что аксионы обладают еще одним замечательным свойством: в присутствии электромагнитного поля они иногда должны спонтанно превращаться в легко обнаруживаемые фотоны. То, что когда-то считалось полностью необнаружимым, оказалось потенциально обнаружимым там, где существует достаточно высокая концентрация аксионов и сильные магнитные поля.
Нейтронные звезды окружены одними из самых сильных магнитных полей Вселенной. Поскольку эти объекты также очень массивны, они также могут привлекать большое количество аксионных частиц темной материи. Поэтому физики предложили искать аксионные сигналы в окрестностях нейтронных звезд.
Исследователи из Института Кавли провели такой поиск с использованием двух радиотелескопов в США и Германии. Целями этого поиска были две близлежащие нейтронные звезды, обладающие сильными магнитными полями, а также центр Млечного Пути, в котором, по оценкам, находится полмиллиарда нейтронных звезд.
Команда исследовала радиочастоты в диапазоне 1 ГГц, что соответствует массам аксионов 5-11 микроэлектронвольт.
Сигнала обнаружено не было. Таким образом физикам впервые удалось настолько сузить интервал предположительной массы аксионных частиц темной материи.
Фото: Shutterstock
Ученый рассказал, как увидеть темную материю
Выдвинута новая теория происхождения темной материи
