infos.ro

Căutarea axioanelor de la steaua Betelgeuse din apropiere apare goală | Știri MIT

Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu

Particula axion evazivă este de multe ori mai ușoară decât un electron, cu proprietăți care abia lasă o impresie asupra materiei obișnuite. Ca atare, particula asemănătoare fantomei este un candidat principal ca componentă a materiei întunecate – un tip ipotetic, invizibil, de materie despre care se crede că reprezintă 85% din masa universului.

Axionii au ocolit până acum depistarea. Fizicienii prezic că, dacă există, ele trebuie să fie produse în medii extreme, cum ar fi nucleele stelelor de la prăpastia unei supernove. Când aceste stele aruncă axii în univers, particulele, când întâlnesc câmpurile magnetice din jur, ar trebui să se transforme pentru scurt timp în fotoni și, potențial, să se dezvăluie.

Acum, fizicienii de la MIT au căutat axioni în Betelgeuse, o stea din apropiere care se așteaptă să se ardă ca supernovă în curând, cel puțin la intervale de timp astrofizice. Având în vedere dispariția sa iminentă, Betelgeuse ar trebui să fie o fabrică naturală de axioni, care scot în mod constant particulele pe măsură ce steaua arde.

Cu toate acestea, atunci când echipa a căutat semnăturile așteptate ale axionilor, sub formă de fotoni în banda de raze X, căutarea lor a fost goală. Rezultatele lor exclud existența axionilor ultra-ușori care pot interacționa cu fotonii pe o gamă largă de energii. Descoperirile stabilesc noi constrângeri asupra proprietăților particulei, care sunt de trei ori mai puternice decât orice experimente anterioare de laborator de detectare a axionilor.

„Ceea ce spun rezultatele noastre este că, dacă doriți să căutați aceste particule cu adevărat ușoare, pe care le-am căutat, ele nu vor vorbi prea mult cu fotonii”, spune Kerstin Perez, profesor asistent de fizică la MIT. „Practic, îngreunăm viața tuturor pentru că spunem „va trebui să te gândești la altceva care să-ți dea un semnal axion”.

Perez și colegii ei și-au publicat rezultatele astăzi în Scrisori de revizuire fizică. Co-autorii ei MIT includ autorul principal Mengjiao Xiao, Brandon Roach și Melania Nynka, împreună cu Maurizio Giannotti de la Universitatea Barry, Oscar Straniero de la Observatorul Astronomic Abruzzo, Alessandro Mirizzi de la Institutul Național pentru Fizică Nucleară din Italia și Brian Grefenstette de la Caltech.

O vânătoare de cuplare

Multe dintre experimentele actuale care caută axioni sunt concepute pentru a-i căuta ca un produs al efectului Primakoff, un proces care descrie o „cuplare” teoretică între axioni și fotoni. În mod normal, nu se crede că axionii interacționează cu fotonii – de unde probabilitatea lor de a fi materie întunecată. Cu toate acestea, efectul Primakoff prezice că, atunci când fotonii sunt supuși la câmpuri magnetice intense, cum ar fi în nucleele stelare, ei s-ar putea transforma în axioni. Prin urmare, centrul multor stele ar trebui să fie fabrici de axioni naturale.

Când o stea explodează într-o supernovă, ar trebui să arunce axiunile în univers. Dacă particulele invizibile intră într-un câmp magnetic, de exemplu între stea și Pământ, ele ar trebui să se transforme înapoi în fotoni, probabil cu o anumită energie detectabilă. Oamenii de știință vânează axioni prin acest proces, de exemplu din propriul nostru soare.

„Dar soarele are, de asemenea, erupții și emite raze X tot timpul și este greu de înțeles”, spune Perez.

Ea și colegii ei au căutat în schimb axioni de la Betelgeuse, o stea care în mod normal nu emite raze X. Steaua se numără printre cele mai apropiate de Pământ care se așteaptă să explodeze în curând.

„Betelgeuse se află la o temperatură și un stadiu de viață în care nu te aștepți să vezi ieșirea de raze X din ea, prin astrofizica stelară standard”, explică Perez. „Dar dacă axions există și apar, am putea vedea o semnătură cu raze X. De aceea, această stea este un obiect drăguț: dacă vezi raze X, este un semnal de armă fumigenă că trebuie să fie axioane.”

„Datele sunt date”

Cercetătorii au căutat semnături de raze X ale axionilor din Betelgeuse, folosind date preluate de NuSTAR, telescopul spațial al NASA care concentrează razele X de înaltă energie din surse astrofizice. Echipa a obținut 50 de kilosecunde de date de la NuSTAR în perioada în care telescopul a fost antrenat pe Betelgeuse.

Cercetătorii au modelat apoi o serie de emisii de raze X pe care le-ar putea vedea de la Betelgeuse dacă steaua eliberează axioane. Ei au considerat o serie de mase pe care le-ar putea avea un axion, precum și o serie de probabilități ca axionii să se „cupleze” și să se reconvertească într-un foton, în funcție de intensitatea câmpului magnetic dintre stea și Pământ.

„Din toată această modelare, obțineți o gamă a cum ar putea arăta semnalul cu raze X al axionilor”, spune Perez.

Când au căutat aceste semnale în datele NuSTAR, totuși, nu au găsit nimic peste fundalul așteptat sau în afara oricăror surse astrofizice obișnuite de raze X.

„Betelgeuse este probabil în stadiile târzii de evoluție și, în acest caz, ar trebui să aibă o mare probabilitate de a se transforma în axioni”, spune Xiao. „Dar datele sunt date.”

Având în vedere gama de condiții pe care le-au considerat, rezultatul nul al echipei exclude un spațiu mare de posibilități și stabilește o limită superioară de trei ori mai puternică decât limitele anterioare, din căutări în laborator, pentru ceea ce trebuie să fie un axion. În esență, aceasta înseamnă că, dacă axionii au o masă ultra ușoară, rezultatele echipei arată că particulele trebuie să fie de cel puțin trei ori mai puțin probabil să se cupleze la fotoni și să emită orice raze X detectabile.

„Dacă axioanele au mase ultraușoare, vă putem spune cu siguranță că cuplarea lor trebuie să fie foarte mică, altfel l-am fi văzut”, spune Perez.

În cele din urmă, aceasta înseamnă că oamenii de știință ar putea fi nevoiți să caute alte benzi de energie mai puțin detectabile pentru semnalele axionilor. Cu toate acestea, Perez spune că căutarea axionilor din Betelgeuse nu s-a încheiat.

„Ceea ce ar fi interesant ar fi dacă vedem o supernova, care ar aprinde o cantitate imensă de axioni care nu ar fi în raze X, ci în raze gamma”, spune Perez. „Dacă o stea explodează și nu vedem axioni, atunci vom avea constrângeri foarte stricte asupra cuplării unui axion la fotoni. Deci toată lumea își încrucișează degetele pentru ca Betelgeuse să plece.

Această cercetare a fost susținută, parțial, de NASA.

Sursa articol

You might also like