Yakındaki bir süpernova karanlık madde arayışını sonlandırabilir

Yakınlardaki bir süpernova ve biraz şans göz önüne alındığında, evrenin karanlık maddesini arama çalışmaları yarın sona erebilir. Evrendeki maddenin %85’inin teleskoplarımızla görülemediğinin anlaşılmasından bu yana, karanlık maddenin doğası 90 yıldır gökbilimcilerin gözünden kaçtı. Günümüzün en muhtemel karanlık madde adayı, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacıların umutsuzca bulmaya çalıştığı hafif bir parçacık olan eksendir.

Berkeley’deki California Üniversitesi’ndeki astrofizikçiler şimdi, eksenin yakındaki bir süpernova patlamasından kaynaklanan gama ışınlarının tespit edilmesinden birkaç saniye sonra keşfedilebileceğini savunuyorlar. Eğer varsa, büyük kütleli bir yıldızın çekirdeğinin nötron yıldızına dönüşmesinden sonraki ilk 10 saniye içinde çok miktarda eksen üretilecek ve bu eksenler kaçarak yıldızın yoğun manyetik alanında yüksek enerjili gama ışınlarına dönüşecektir. .

Böyle bir tespit bugün ancak yörüngedeki tek gama ışını teleskobu olan Fermi Gama ışını Uzay Teleskobu’nun patladığı sırada süpernovanın yönünü göstermesi durumunda mümkün olabilir. Teleskobun görüş alanı göz önüne alındığında, bu yaklaşık 10’da bir şanstır.

Ancak, gama ışınlarının tek bir tespiti, şu anda Dünya’daki deneylerde araştırılan kütle aralıkları da dahil olmak üzere, çok çeşitli teorik kütleler üzerinden eksenin, özellikle de QCD eksen olarak adlandırılan eksenin kütlesinin tam olarak belirlenmesini sağlayacaktır. Bununla birlikte, bir tespitin olmaması, eksen için geniş bir potansiyel kütle aralığını ortadan kaldıracak ve mevcut karanlık madde aramalarının çoğunu anlamsız hale getirecektir.

Sorun şu ki, gama ışınlarının tespit edilebilecek kadar parlak olması için süpernovanın yakınlarda (Samanyolu galaksimizin veya onun uydu galaksilerinden birinin içinde) olması gerekiyor ve yakındaki yıldızlar ortalama olarak yalnızca birkaç on yılda bir patlıyor. Yakınlardaki son süpernova 1987 yılında Samanyolu’nun uydularından biri olan Büyük Macellan Bulutu’nda meydana geldi. UC Berkeley ekibinin analizine göre, o zamanlar artık kullanılmayan bir gama ışını teleskopu olan Solar Maximum Mission, süpernovanın yönünü işaret ediyordu ancak gama ışınlarının tahmin edilen yoğunluğunu tespit edebilecek kadar hassas değildi. .

“Modern bir gama ışını teleskobuyla 1987A süpernovası gibi bir süpernovayı görseydik, bu QCD eksenini, bu en ilginç ekseni, parametre uzayının büyük bir bölümünde, esasen tüm parametrede tespit edebilir veya eleyebiliriz. UC Berkeley fizik doçenti ve makalenin kıdemli yazarı Benjamin Safdi, “Laboratuvarda incelenemeyen uzay ve laboratuvarda incelenebilecek parametre uzayının büyük bir kısmı da” dedi. öyleydi yayınlandı 19 Kasım’da çevrimiçi dergide Fiziksel İnceleme Mektupları. “Ve bunların hepsi 10 saniye içinde gerçekleşecek.”

Ancak araştırmacılar, yakın evrende gecikmiş bir süpernova patladığında, eksenlerin ürettiği gama ışınlarını görmeye hazır olmayacağımızdan endişeli. Bilim insanları şimdi, gökyüzünün %100’ünü 7/24 kapsayacak şekilde bu tür teleskoplardan birini veya bir filoyu fırlatmanın ve herhangi bir gama ışını patlamasını yakalayacağından emin olmanın fizibilitesini değerlendirmek için gama ışını teleskopları üreten meslektaşlarıyla konuşuyorlar. Hatta tam gökyüzü gama ışını uydu takımyıldızları için bir isim bile önerdiler: Süpernova için GALactic AXion Instrument veya GALAXIS.

Safdi, “Sanırım bu makaledeki hepimiz, doğru enstrümantasyona sahip olmadan önce bir sonraki süpernovanın gerçekleşeceği konusunda stresliyiz” dedi. “Yarın bir süpernova patlarsa ve axion’u tespit etme fırsatını kaçırırsak gerçekten çok yazık olur; bir 50 yıl daha geri gelmeyebilir.”

Safdi’nin ortak yazarları, yüksek lisans öğrencisi Yujin Park ve doktora sonrası araştırmacılar Claudio Andrea Manzari ve Inbar Savoray’dır. Dördü de UC Berkeley’in fizik bölümünün ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nın Teorik Fizik Grubunun üyeleridir.

QCD eksenleri

Karanlık madde aramaları başlangıçta teorik olarak galaksimiz ve evren boyunca dağılmış soluk, devasa kompakt halo nesnelere (MACHO’lar) odaklanmıştı, ancak bunlar gerçekleşmeyince fizikçiler teorik olarak etrafımızda olan ve tespit edilebilir olması gereken temel parçacıkları aramaya başladılar. Dünyaya bağlı laboratuvarlarda. Bu zayıf etkileşimli büyük parçacıklar (WIMP’ler) de ortaya çıkmayı başaramadı.

Karanlık madde için mevcut en iyi aday, fiziğin standart modeline güzel bir şekilde uyan ve parçacık fiziğindeki diğer bazı önemli bulmacaları çözen bir parçacık olan axion’dur. Axion’lar aynı zamanda evrenin temel geometrisine ilişkin bir hipotez olan sicim teorisinden de tamamen ayrılıyor ve kozmik ölçeklerdeki etkileşimleri açıklayan yerçekimini, sonsuz küçüklüğü tanımlayan kuantum mekaniği teorisiyle birleştirebilir.

Safdi, “Axion gibi parçacıklara sahip olmayan kuantum mekaniği ile birleştirilmiş tutarlı bir yerçekimi teorisine sahip olmak neredeyse imkansız görünüyor” dedi.

Bir eksen için en güçlü aday, QCD axion adı verilen -adını güçlü kuvvet teorisi olan kuantum kromodinamiğinden alan- teorik olarak tüm maddelerle, zayıf da olsa, doğanın dört kuvveti aracılığıyla etkileşime girer: yerçekimi, elektromanyetizma, güçlü kuvvet. atomları bir arada tutan kuvvet ve atomların parçalanmasını açıklayan zayıf kuvvet.

Bunun bir sonucu, güçlü bir manyetik alanda, bir eksenin ara sıra bir elektromanyetik dalgaya veya fotona dönüşmesidir. Axion, yalnızca yerçekimi ve zayıf kuvvet yoluyla etkileşime giren ve elektromanyetik kuvveti tamamen göz ardı eden başka bir hafif, zayıf etkileşen parçacık olan nötrinodan belirgin şekilde farklıdır.

Hepsi UC Berkeley araştırmacılarını içeren ALPHA Konsorsiyumu (Axion Longitudinal Plazma HAloskop), DMradio ve ABRACADABRA gibi laboratuvar tezgahı deneyleri, bir diyapozon gibi, zayıf elektromanyetik alan veya fotonla rezonansa giren ve üretilen fotonları güçlendiren kompakt boşluklar kullanır. düşük kütleli bir eksen, güçlü bir manyetik alanın varlığında dönüşür.

Alternatif olarak astrofizikçiler, 1987A gibi bir çekirdek çöküşü süpernovasının hemen ardından nötron yıldızlarında üretilen eksenleri aramayı önerdiler. Ancak şimdiye kadar öncelikle bu eksenlerin galaksilerin manyetik alanlarında fotonlara yavaş dönüşümünden kaynaklanan gama ışınlarını tespit etmeye odaklandılar. Safdi ve meslektaşları, bu sürecin gama ışınları üretmede çok verimli olmadığını veya en azından Dünya’dan tespit etmek için yeterli olmadığını fark etti.

Bunun yerine, eksenleri oluşturan yıldızın etrafındaki güçlü manyetik alanlardaki eksenler tarafından gama ışınlarının üretimini araştırdılar. Süper bilgisayar simülasyonları, bu sürecin, eksenin kütlesine bağlı olan bir gama ışını patlamasını çok verimli bir şekilde yarattığını ve patlamanın, sıcak nötron yıldızının içinden gelen bir nötrino patlamasıyla aynı anda meydana gelmesi gerektiğini gösterdi. Ancak eksenlerin bu patlaması, nötron yıldızı oluştuktan sonra yalnızca 10 saniye sürer – bundan sonra üretim hızı dramatik bir şekilde düşer – ancak yıldızın dış katmanları patlamadan saatler önce.

Safdi, “Bu bizi, nötron yıldızlarını, eksen laboratuvarları olarak eksenleri aramak için en uygun hedefler olarak düşünmeye yöneltti.” dedi. “Nötron yıldızlarının pek çok etkisi vardır. Bunlar son derece sıcak nesnelerdir. Aynı zamanda çok güçlü manyetik alanlara da ev sahipliği yaparlar. Evrenimizdeki en güçlü manyetik alanlar, on milyarlarca manyetik alana sahip magnetarlar gibi nötron yıldızlarının çevresinde bulunur. Bu eksenleri gözlemlenebilir sinyallere dönüştürmeye yardımcı olan şey, laboratuvarda üretebileceğimiz her şeyden kat kat daha güçlü.”

İki yıl önce, Safdi ve meslektaşları QCD axionunun kütlesine ilişkin en iyi üst sınırı yaklaşık 16 milyon elektron volt veya elektronun kütlesinden yaklaşık 32 kat daha az olarak belirlediler. Bu, nötron yıldızlarının soğuma hızına dayanıyordu; bu sıcak, kompakt cisimlerin içinde nötrinolarla birlikte aksiyonlar üretildiğinde daha hızlı soğuyacaktı.

Mevcut makalede, UC Berkeley ekibi yalnızca çekirdeğin bir nötron yıldızına çökmesini takiben gama ışınlarının üretimini tanımlamakla kalmıyor, aynı zamanda eksen kütlesine şimdiye kadarki en iyi kısıtlamaları koymak için 1987A süpernovasından gelen gama ışınlarının tespit edilememesinden de yararlanıyor. Güçlü kuvvet yoluyla etkileşime girmemeleri nedeniyle QCD eksenlerinden farklı olan benzeri parçacıklar.

Bir gama ışını tespitinin, QCD eksen kütlesinin 50 mikroelektron voltun (mikro-eV veya μeV) üzerinde veya elektronun kütlesinin yaklaşık 10 milyarda birinin üzerinde olması durumunda tanımlamalarına olanak sağlayacağını tahmin ediyorlar. Safdi, tek bir tespitin, eksenin kütlesini doğrulamak için mevcut deneylere yeniden odaklanabileceğini söyledi. Yakındaki bir süpernovadan gelen gama ışınlarını tespit etmek için özel gama ışını teleskoplarından oluşan bir filo en iyi seçenek olsa da, Fermi ile şanslı bir mola daha da iyi olacaktır.

Safdi, “Axionlar için en iyi senaryo, Fermi’nin bir süpernova yakalamasıdır. Sadece bunun şansı küçüktür.” dedi. “Fakat Fermi onu görseydi kütlesini ölçebilirdik. Etkileşim gücünü ölçebilirdik. Axion hakkında bilmemiz gereken her şeyi belirleyebilirdik ve inanılmaz derecede bilgi sahibi olurduk.” Sinyale güveniyorum çünkü böyle bir olayı yaratabilecek sıradan bir madde yok.”