Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-3-11
Темные аксионы ограничили с помощью нейтронных звезд

Декабрь 2020

Ученые использовали данные об излучении нейтронных звезд в радиодиапазоне для поиска аксионов — гипотетических элементарных частиц, претендующих на принадлежность к темной материи. Они воспользовались тем, что сильное магнитное поле от нейтронных звезд должно приводить к переходу темных аксионов в фотоны, которые уже можно зарегистрировать. Исследователям не удалось зарегистрировать такие процессы, но полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли другие эксперименты в части диапазона масс. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Существует множество предположений о форме, в которой могла бы существовать темная материя: от легчайших стерильных нейтрино до тяжелых вимпов. Одним из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи является темный аксион — гипотетическая сверхлегкая нейтральная элементарная частица.

Регистрация темных аксионов — крайне сложная задача: согласно предсказывающим их существование теориям, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Но в этом случае полезным для физиков обстоятельством является другая особенность темного аксиона, который может превращаться в фотон при взаимодействии с сильным магнитным полем с резонансной для аксиона частотой.

Группа ученых во главе с Джошуа Фостером (Joshua Foster) из Мичиганского университета использовали радиотелескоп Грин-Бэнк и Эффельсбергский радиотелескоп для наблюдения за рядом объектов, от которых ожидался яркий сигнал преобразования аксионов в фотоны, в том числе за центром Млечного Пути, а также за двумя близлежащими к нему нейтронными звездами RX J0720 и RX J0806.

Физикам нужно было перевести полученные результаты в ограничения на константу взаимодействия процесса перехода аксиона в фотон. Для этого ученые провели моделирование исследуемого процесса в окрестности изученных объектов, учтя их местоположение и прогнозируемые распределения плотности аксионной темной материи вокруг них, погрешность соответствующие вычислений для центра Млечного Пути оказалась сильно больше, чем для нейтронных звезд. Тем не менее, полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли результаты эксперимента CAST в ЦЕРНЕ.

Авторы отмечают и то, что данное исследование — лишь первая попытка использовать нейтронные звезды в качестве проб существования аксионной темной материи, и что в дальнейшем продемонстрированный метод может быть улучшен для получения еще более строгих ограничений. Ученые возлагают большие надежды и на новые поколения радиотелескопов, с помощью которых можно будет на порядки увеличить чувствительность измерений.

Источником магнитного поля для перехода аксиона в фотон совсем не обязательно должна быть нейтронная звезда: в главе …. рассказано об эксперименте ADMX, в котором детектор самостоятельно генерирует магнитное поле в охлаждённой полости и регистрирует рожденные в ней фотоны.

_{nplus1.ru, 24 декабря 2020, Никита Козырев}

_{https://nplus1.ru/news/2020/12/24/dark-matter-from-neutron-stars}

_{Журнал Physical Review Letters. 2020}

_{Джошуа Фостер (Joshua Foster) из Мичиганского университета}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.171301}