Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-14-9
Поляризация света протопланетных дисков укажет на аксионы

Май 2019

Японские физики предложили новый метод поиска аксионов, основанный на колебаниях поляризации протопланетных дисков. Ученые вывели уравнение, которое связывает угол отклонения поляризации, массу аксиона и константу его связи с фотоном, а затем подставили в него значения, отвечающие диску вокруг звезды AB Возничего. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт на сайте arXiv.org.

Раньше основным кандидатом на роль темной материи выступали вимпы (WIMP) — сверхтяжелые частицы с массой не меньше десяти масс протона, которые взаимодействуют с частицами обычной материи через обмен векторными бозонами (фотоны в таких реакциях не рождаются, поэтому материя выглядит «темной»). Однако из-за отсутствия экспериментальных подтверждений эта гипотеза постепенно стала терять популярность. Более того, теория с вимпами приводит к расхождениям между расчетами и наблюдаемой картиной распределения темной материи (проблема острого гало). Некоторые физики попытались объяснить неудачи экспериментов по поиску вимпов новыми короткодействующими силами или отказались от темной материи, заменив ее частицами с отрицательной массой.

Менее радикальные теории предполагают, что темная материя состоит из сверхлегких аксионоподобных частиц. Кроме того, похожие сверхлегкие частицы естественным образом возникают в теории струн.

Основные свойства, на которые полагаются такие эксперименты — это взаимодействие аксионов с фотонами и осцилляция аксионного поля с частотой, пропорциональной его массе. Эти свойства приводят к двум интересным эффектам. Во-первых, аксионы, помещенные в сильное магнитное поле, превращаются в фотоны. Во-вторых, на фоне осциллирующего аксионного фона плоскость поляризации фотонов поворачивается и лучи света расщепляются. Первый эффект используется в галоскопе — «радио» для темной материи, в котором физики пытаются подобрать резонансную частоту магнитного поля и усилить рождение фотонов. В настоящее время такие установки уже работают. Схема эксперимента, основанного на втором эффекте, была разработана группой японских ученых под руководством Юта Митимура (Yuta Michimura), однако воплотить ее в жизнь пока не удалось.

Теперь же японские исследователи во главе с Кендзи Тома (Kenji Toma) предложили косвенный метод детектирования аксионов, основанный на измерении поляризации протопланетных дисков. Протопланетные диски выбрали по ряду причин. Во-первых, большая часть излучения диска возникает из-за рассеяния света центральной звезды на его частицах (поэтому диск кажется ярким). Во-вторых, свет протопланетного диска линейно поляризован перпендикулярно его плоскости. И если окружающая диск темная материя состоит из аксионов, она будет изменять его поляризацию предсказуемым способом. Наконец, характерный размер протопланетного диска составляет порядка ста астрономических единиц. С одной стороны, это позволяет разрешить диски на расстоянии до ста парсек с помощью наземных телескопов. С другой стороны, даже такой огромный диаметр меньше длины волны де Бройля аксиона — следовательно, поляризация всего диска будет поворачиваться одинаково.

_{nplus1.ru, 17 мая 2019, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2019/05/17/proto-axion}

_{ЖурналPhysical Review Letters, 2019}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.191101}

_{https://arxiv.org/abs/1811.03525}