Эти странные аксионы
Недавно в журнале «Physical Review Letters» астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли предложили способ обнаружения темной материи в предположении, что она состоит из аксионов. Исследователи утверждают, что такие частицы могут быть зафиксированы в случае вспышки сверхновой в нашей галактике.
В настоящее время аксион является одним из основных кандидатов на роль частицы темной материи. В цитируемой работе ученые опираются на известное теоретическое заключение, что аксионы могут возникать в процессе коллапса массивной звезды, превращающейся в нейтронную звезду. В течение первых десяти секунд после этого события аксионы могут превращаться в гамма-лучи в условиях сильного магнитного поля звезды. Ученые полагают, что если такая сверхновая взорвется в относительной близости от Земли, гамма-телескопы смогут зафиксировать характерные всплески.
Сверхновые, такие как, например, сверхновая типа II SN1987A, вспыхнувшая на окраине туманности Тарантул в Большом Магеллановом Облаке и зафиксированная 23 февраля 1987 года, служат примером того, как можно использовать гамма-телескопы для поиска аксионов. Ученые указывают, что в случае обнаружения характерных гамма-всплесков можно будет определить массу аксионов с высокой точностью. Ожидается, что масса КХД-аксиона, одного из возможных кандидатов, может составлять около 50 микроэлектронвольт, что в 10 миллиардов раз легче электрона.
Суперкомпьютерное моделирование показало, что аксионы, генерируемые внутри нейтронной звезды, могут эффективно преобразовываться в гамма-лучи в сильном магнитном поле звезды. Этот процесс позволяет выявить сигнал, который можно отличить от воздействия обычной материи. Современные гамма-телескопы, такие как Fermi Gamma-ray Space Telescope, уже сегодня способны фиксировать эти гамма-всплески, если они произойдут в нашей Галактике.
Ученые подчеркивают, что обнаружение аксионов позволит радикально изменить представления о природе темной материи и возможно пересмотреть текущие подходы к ее поискам. Однако существует вероятность, что вспышка сверхновой, способная подтвердить гипотезу, произойдет только через десятилетия. Поэтому исследователи настаивают на необходимости запуска новых гамма-телескопов, которые смогут круглосуточно наблюдать все небо и уловить момент вспышки.
***
За комментарием по поводу данной работы мы обратились к нашему постоянному автору и члену научного совета журнала академику РАН Игорю Ткачеву. Игорь Иванович – астрофизик и специалист в области физики элементарных частиц, доктор физико-математических наук, заведующий отделом экспериментальной физики Института ядерных исследований РАН. В ноябрьском номере ЗС за 2022 год в рамках Главной темы, посвященной темной материи, академик Ткачев рассказывал о трех основных на данный момент гипотезах того, что представляют собой частицы темной материи. Согласно одной из гипотез – это аксионы. (Согласно двум другим гипотезам, это ВИМПы и «стерильные» нейтрино).
В научной литературе можно встретить два определения того, что это за частица. Согласно одному из них: «Аксион – гипотетическая нейтральная псевдоскалярная элементарная частица, первоначально введенная для объяснения того, что электрический дипольный момент нейтрона, который мог бы вызвать прецессию нейтрона в электрическом поле, оказался по крайней мере в десять миллиардов раз меньше, чем можно было бы ожидать. В качестве параметра, определяющего электрический дипольный момент нейтрона, в теории с аксионом выступает вакуумное значение аксионного поля, которое автоматически подстраивается так, что дипольный момент оказывается строго равным нулю». Согласно второму определению: «Аксионы – это гипотетические бесспиновые частицы с малой массой, которые появились в физике в качестве решения сильной CP-проблемы, то есть нарушения комбинированной четности в квантовой хромодинамике. Существует несколько предложенных решений для решения сильной CPпроблемы. Наиболее известной является теория Печчеи – Куинна, включающая новые псевдоскалярные частицы, называемые аксионами».
Иными словами, в одном случае аксион делает равным нулю дипольный момент нейтрона, что весьма важно для существования нашего мира, в другом – помогает решить проблему квантовой хромодинамики: почему в слабых взаимодействиях СР нарушается, а в сильных – нет? То есть, речь идет о кварках. Какое из определений правильное? Оба! Это две стороны одной медали. Потому что, если бы было нарушение СР-симметрии в сильных взаимодействиях, у нейтронов появился бы отличный от нуля дипольный момент.