Căutarea particulelor de materie întunecată Axion lângă stelele de neutroni cu telescoape

Pe

În anii 1970, fizicienii au descoperit o problemă cu modelul standard al fizicii particulelor: teoria care descrie trei dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii (interacțiuni electromagnetice, slabe și puternice; a patra este gravitația). Au descoperit că, deși teoria prezice că o simetrie ar trebui să fie ruptă între particulele și forțele Universului nostru și o versiune oglindă, experimentele spun altceva. Această nepotrivire între teorie și observații se numește „problema CP puternică”: CP înseamnă Încărcare + Paritate. Care este problema CP și de ce a nedumerit oamenii de știință de aproape o jumătate de secol?

În modelul standard, electromagnetismul este simetric sub C (conjugarea sarcinii), care înlocuiește particulele cu antiparticule; P (paritate), care înlocuiește toate particulele cu omologii lor de imagine oglindă; și, T (inversiunea timpului), care înlocuiește interacțiunile care merg înainte în timp cu cele care se întorc în timp, precum și combinațiile de operații de simetrie CP, CT, PT și CPT. Aceasta înseamnă că experimentele sensibile la interacțiunea electromagnetică nu ar trebui să poată distinge sistemele originale de cele care au fost transformate prin oricare dintre operațiile de simetrie menționate.

În cazul interacțiunii electromagnetice, teoria este de acord foarte bine cu observațiile. Așa cum era de așteptat, problema se află într-una din cele două forțe nucleare: „interacțiunea puternică”. Se pare că teoria permite încălcarea operației de simetrie combinată CP (care reflectă particulele într-o oglindă și apoi schimbă particula în antiparticulă) atât pentru interacțiunea slabă, cât și pentru cea puternică. Cu toate acestea, până acum au fost observate doar încălcări ale CP pentru interacțiuni slabe.

Telescoape Green Bank

Telescopul Green Bank din Virginia de Vest, SUA. Credit: GBO / AUI / NSF

Mai precis, pentru interacțiunile slabe, încălcarea CP apare la aproximativ nivelul de 1 din 1.000 și mulți oameni de știință se așteptau la un nivel similar de infracțiuni pentru interacțiunile puternice. Cu toate acestea, experimentalii au căutat pe larg încălcarea CP, dar fără rezultat. Dacă apare în interacțiunea puternică, este suprimată de mai mult de un factor de un miliard (10?).

În 1977, fizicienii teoretici Roberto Peccei și Helen Quinn au propus o posibilă soluție: au propus o nouă simetrie care suprimă termenii care încalcă CP într-o interacțiune puternică, făcând teoria să coincidă cu observațiile. La scurt timp după aceea, Steven Weinberg și Frank Wilczek – ambii au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 1979 și, respectiv, în 2004 – au realizat că acest mecanism creează o particulă cu totul nouă. Wilczek a numit această nouă particulă „axion”, după un popular detergent de spălat vase cu același nume, pentru capacitatea sa de a „curăța” problema puternică a CP.

Operațiune de simetrie CP Particulă mesonică

Ilustrarea operației de simetrie CP efectuată pe o particulă de mezon. Spunem că simetria CP este încălcată dacă observăm că sistemul original (primul cadru) se descompune într-o particulă diferită de sistemul transformat CP (al patrulea cadru). Credit: Kavli IPMU

Axonul trebuie să fie o particulă extrem de ușoară, trebuie să fie extraordinar de abundent și să nu aibă nicio sarcină. Datorită acestor caracteristici, axiile sunt candidați excelenți pentru materia întunecată. Materia întunecată reprezintă aproximativ 85% din conținutul masiv al Universului, însă natura sa fundamentală rămâne unul dintre cele mai mari mistere ale științei moderne. Descoperirea faptului că materia întunecată este alcătuită din axii ar fi una dintre cele mai mari descoperiri ale științei moderne.

În 1983, fizicianul teoretic Pierre Sikivie a descoperit că axonii au o altă proprietate remarcabilă: în prezența unui câmp electromagnetic, aceștia ar trebui să devină uneori spontan fotoni ușor detectabili. Ceea ce anterior se credea a fi complet nedetectabil s-a dovedit a fi potențial detectabil atâta timp cât există o concentrație suficient de mare de axoni și câmpuri magnetice puternice.

Telescopul Green Bank din Virginia de Vest

Telescopul Green Bank din Virginia de Vest, SUA. Credit: GBO / AUI / NSF

Unele dintre cele mai puternice câmpuri magnetice din Univers înconjoară stelele cu neutroni. Deoarece aceste obiecte sunt, de asemenea, foarte masive, ele ar putea atrage, de asemenea, un număr mare de particule de materie întunecată axionată. Astfel, fizicienii au propus căutarea de semnale de acțiune în regiunile înconjurătoare ale stelelor cu neutroni. Acum, o echipă internațională de cercetare, inclusiv Institutul Kavli pentru fizica și matematica universului (Kavli IPMU) postdoctoral Oscar Macias, a făcut exact asta cu două radiotelescoape: Telescopul Robert C. Byrd Green Bank de la SUA și radiotelescopul german Effelsberg de 100 m.

Țintele acestei cercetări au fost două stele de neutroni din apropiere despre care se știe că au câmpuri magnetice puternice, precum și calea Lacteedin centru, care se estimează că găzduiește o jumătate de miliard de stele de neutroni. Echipa a eșantionat frecvențe radio în intervalul de 1 GHz, corespunzând la 5-11 mase axiale microelectron-volt. Deoarece nu s-a văzut niciun semnal, echipamentul a fost capabil să impună cele mai puternice limite de până acum asupra particulelor de materie întunecată cu axie microelectronică cu masă mică.

Referință: „Căutări cu radiotelescopul Green Bank și Effelsberg Axion Conversion of Dark Matter into Neutron Star Magnetospheres ”de Joshua W. Foster, Yonatan Kahn, Oscar Macias, Zhiquan Sun, Ralph P. Eatough, Vladislav I. Kondratiev, Wendy M. Peters, Christoph Weniger și Benjamin R. Safdi, 20 octombrie 2020, Scrisori de recenzie fizică.
Fizic. Rev. Lett. 125, 171301 – Publicat

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

A fost găsit cel mai vechi loc de înmormântare uman din Africa – un copil a fost îngropat în urmă cu 78.000 de ani

Vedere generală a zonei peșterii Panga ya Saidi. Observați săparea șanțului unde a fost deschisă înmormântarea. Credit: Muhammad Javad Shoaee Descoperirea celui mai...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Newsletter

Subscribe to stay updated.