Обнаружены следы загадочной частицы, существование которой предсказано десятилетия назад

Свидетельства существования долгожданной гипотетической частицы могли все это время прятаться на виду у обычного (рентгеновского) поля зрения.

Ученые продемонстрировали, что рентгеновское излучение, исходящее от группы нейтронных звезд, настолько велико, что может исходить от аксионов, давно предсказанных частиц, выкованных в плотных ядрах этих мертвых объектов.

Если их выводы подтвердятся, это открытие может помочь разгадать некоторые загадки физической Вселенной, включая природу таинственной темной материи.

«Обнаружение аксионов было одним из основных направлений физики частиц высоких энергий, как в теории, так и в экспериментах», — сказал астроном Раймонд Ко из Университета Миннесоты.

«Мы думаем, что аксионы могут существовать, но мы еще не открыли их. Вы можете думать об аксионах как о частицах-призраках. Они могут находиться где угодно во Вселенной, но они не сильно взаимодействуют с нами, поэтому у нас пока нет никаких наблюдений».

Аксионы — это гипотетические частицы со сверхмалой массой, впервые упомянутые в 1970-х годах для решения вопроса о том, почему атомные силы следуют так называемой симметрии зарядовой четности, хотя большинство моделей говорят, что в этом нет необходимости.

Аксионы предсказываются многими моделями теории струн — предлагаемым решением противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой — и аксионы определенной массы также являются сильными кандидатами на темную материю. Итак, у ученых есть ряд действительно веских причин искать их.

Если они существуют, ожидается, что аксионы будут рождаться внутри звезд. Эти звездные аксионы не то же самое, что аксионы темной материи, но их существование подразумевает существование других видов аксионов.

Один из способов поиска аксионов — поиск избыточного излучения. Ожидается, что аксионы распадутся на пары фотонов в присутствии магнитного поля, поэтому, если в области, где ожидается этот распад, будет обнаружено больше электромагнитного излучения, чем должно быть, это может свидетельствовать о наличии аксионов.

В этом случае избыточное жесткое рентгеновское излучение — это именно то, что астрономы обнаружили, глядя на нейтронные звезды.

Нейтронные звезды — коллапсирующие ядра мертвых массивных звезд, погибших в результате взрыва сверхновой — не сгруппированы в группу, а имеют ряд общих черт. Все они — изолированные нейтронные звезды примерно среднего возраста, через несколько сотен тысяч лет после звездной смерти.

Все они охлаждаются, при этом испуская (мягкое) рентгеновское излучение низкой энергии. Все они обладают сильными магнитными полями, в триллионы раз сильнее, чем у Земли, достаточно мощными, чтобы вызвать распад аксиона. И все они относительно близко, в пределах 1500 световых лет от Земли.

Это делает их отличной лабораторией для поиска аксионов, и когда группа исследователей, возглавляемая старшим автором и физиком Бенджамином Сафди из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, изучила нейтронные звезды с помощью нескольких телескопов, они обнаружили высокоэнергетическое (жесткое) X -лучевое излучения не характерное для нейтронных звезд этого типа.

Однако в космосе существует множество процессов, которые могут производить излучение, поэтому команде пришлось тщательно изучить другие потенциальные источники излучения. Например, пульсары излучают жесткое рентгеновское излучение; но другие виды излучения пульсаров, такие как радиоволны, были исключены.

 «Мы совершенно уверены, что это превышение уровня излучения существует, и уверены, что среди этого превышения есть что-то новое», — сказал Сафди. «Если бы мы были на 100 процентов уверены, что то, что мы видим, — это новая частица, это было бы потрясающе. Это было бы революцией в физике».

Это не значит, что избыток — это новая частица. Это мог быть ранее неизвестный астрофизический процесс. Или это может быть что-то простое, например, артефакт от телескопов или обработки данных.

«Мы еще не утверждаем, что открыли аксион, но мы говорим, что дополнительные рентгеновские фотоны можно объяснить аксионами», — сказал Бенджамин. «Это захватывающее открытие избытка рентгеновских фотонов, и захватывающая возможность, которая уже согласуется с нашей интерпретацией аксионов».

Следующим шагом будет попытка проверить находку.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.

Источники: Фото: (ESO/L. Calçada)