Pomocí rádiových dalekohledů k hledání částic axionů temné hmoty v blízkosti neutronových hvězd

Podle

V 70. letech objevili fyzici problém se Standardním modelem částicové fyziky – teorií, která popisuje tři ze čtyř základních sil v přírodě (elektromagnetické, slabé a silné interakce; čtvrtá je gravitace). Zjistili, že zatímco teorie předpovídá, že by měla být narušena symetrie mezi částicemi a silami v našem vesmíru a zrcadlovou verzí, experimenty říkají jinak. Tento nesoulad mezi teorií a pozorováním je znám jako „silný problém CP“ – CP znamená Charge + Parity. Co je to problém CP a proč to zmátlo vědce téměř půl století?

Ve standardním modelu je elektromagnetismus pod C (konjugace náboje) symetrický, což znamená, že částice jsou nahrazeny antičásticemi. P (parita), která nahradí všechny částice jejich zrcadlovými protějšky; a T (obrácení času), který nahrazuje interakce směřující dopředu v čase interakcemi směřujícími dozadu v čase a kombinace operací symetrie CP, CT, PT a CPT. To znamená, že experimenty užitečné pro elektromagnetickou interakci by neměly být schopné odlišit původní systémy od těch, které byly transformovány jakoukoli z operací symetrie uvedených výše.

V případě elektromagnetické interakce teorie velmi dobře souhlasí s pozorováním. Jak se dalo očekávat, problém spočívá v jedné ze dvou jaderných sil – „silné interakci“. Jak se ukázalo, teorie umožňuje narušení kombinované operace symetrie CP (odrážející částice v zrcadle a poté vyměňovat částice za antičástice) pro slabou i silnou interakci. Porušování CP však bylo dosud pozorováno pouze u slabé interakce.

Dalekohled Green Bank

Dalekohled Green Bank v Západní Virginii, USA. Kredit: GBO / AUI / NSF

Zejména k porušení CP dochází u přibližně 1 z 1 000 u slabých interakcí a mnoho vědců očekávalo podobné úrovně porušení u silných interakcí. Experimentátoři však intenzivně hledali porušení CP, ale bezvýsledně. Když k ní dojde při silné interakci, je potlačena více než miliardovým faktorem (10?).

V roce 1977 navrhli teoretičtí fyzici Roberto Peccei a Helen Quinn možné řešení: Vytvořili novou symetrii, která potlačuje výrazy porušující CP v silné interakci, takže teorie odpovídá pozorování. Krátce nato si Steven Weinberg a Frank Wilczek, kteří oba obdrželi Nobelovu cenu za fyziku v letech 1979 a 2004, uvědomili, že tento mechanismus vytváří zcela novou částici. Wilczek pojmenoval tuto novou částici „Axion“ po populárním čisticím prostředku se stejným názvem, protože „eliminoval“ silný problém s CP.

CP symetrická operace mezonová částice

Reprezentace operace symetrie CP na částice mezonu. Říkáme, že symetrie CP je porušena, pokud pozorujeme, že původní systém (první obrázek) se rozpadá na jinou částici než CP-transformovaný systém (čtvrtý obrázek). Fotografický kredit: Kavli IPMU

Axion by měl být extrémně lehká částice, měl by být extrémně velký a neměl by mít náboj. Díky těmto vlastnostem jsou axiony vynikajícími kandidáty na temnou hmotu. Temná hmota tvoří asi 85 procent hmoty vesmíru, ale její základní podstata zůstává jedním z největších tajemství moderní vědy. Zjištění, že temnou hmotu tvoří axiony, by bylo jedním z největších objevů moderní vědy.

V roce 1983 teoretický fyzik Pierre Sikivie zjistil, že axiony mají ještě jednu pozoruhodnou vlastnost: za přítomnosti elektromagnetického pole by se někdy měly spontánně transformovat na snadno detekovatelné fotony. To, co bylo dříve považováno za zcela nezjistitelné, se ukázalo jako potenciálně detekovatelné, pokud je koncentrace axionů a silná magnetická pole dostatečně vysoká.

Dalekohled Green Bank Západní Virginie

Dalekohled Green Bank v Západní Virginii, USA. Kredit: GBO / AUI / NSF

Některá z nejsilnějších magnetických polí ve vesmíru obklopují neutronové hvězdy. Protože tyto objekty jsou také velmi hmotné, mohly by také přitahovat velké množství částic temné hmoty z axionu. Fyzici proto navrhli hledat signály axionů v okolních oblastech neutronových hvězd. Mezinárodní výzkumný tým, včetně postdoktora Oscara Kaviase z Kavliho ústavu pro fyziku a matematiku vesmíru (Kavli IPMU), to udělal se dvěma radioteleskopy – Robert C. Byrd Green Bank Telescope v USA a Effelsberg 100 m Radioteleskop v Německu.

Terčem tohoto hledání byly dvě blízké neutronové hvězdy se známými silnými magnetickými poli a také mléčná dráhaCentrum je domovem odhadem půl miliardy neutronových hvězd. Tým vzorkoval rádiové frekvence v rozsahu 1 GHz, které odpovídají axiálním hmotnostem 5–11 mikroelektronových voltů. Vzhledem k tomu, že nebylo vidět žádný signál, byl tým schopen uvalit dosud nejsilnější mezní hodnoty na temnou hmotu s několika mikroelektronovými voltovými hmotami na částice axionu.

Odkaz: „Green Bank a Effelsberg Radio Telescope hledají Axion Transformace temné hmoty na neutronové hvězdné magnetosféry “, autor: Joshua W. Foster, Yonatan Kahn, Oscar Macias, Zhiquan Sun, Ralph P. Eatough, Vladislav I. Kondratiev, Wendy M. Peters, Christoph Less a Benjamin R. Safdi, 20. října 2020, Dopisy o fyzickém vyšetření.
Phys. Rev. Lett. 125, 171301 – publikováno

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Proč jsou metody distribuce vakcín COVID-19 krátké + 3 způsoby, jak je vylepšit

Objevilo se několik návrhů, jak distribuovat COVID-19 vakcíny, ale nezajistí spravedlivé rozdělení vakcíny. Tým, který zahrnuje Nicole Hassoun, profesorku na Binghamton University, navrhuje...

Obstrukční spánková apnoe je běžná u lidí s kognitivními poruchami – je léčitelná

Léčitelná porucha spánku, která je běžná u lidí s poruchami myšlení a paměti. K obstrukční spánkové apnoe dochází, když je během spánku dýchání opakovaně přerušováno....

Kvantové tunelování v grafenu posouvá éru vysokorychlostní bezdrátové komunikace Terahertz

Kvantové tunelování. Půjčka: Tisková kancelář Daria Sokol / MIPT Vědci z MIPT, Moskevské státní pedagogické univerzity a univerzity v Manchesteru vyvinuli velmi citlivý terahertzový...

Využití vibračních molekul ke studiu vlnových vlastností hmoty

Molekulární ionty HD + (páry žlutých a červených bodů) v iontové pasti (šedé) jsou ozářeny laserovou vlnou (červená). To vede k kvantovým skokům,...

Kampaň NASA SnowEx kopání hluboko v roce 2021

Měření sněhu se může zdát jednoduché, ale každé prostředí představuje pro přístroje jedinečné výzvy. Například sněžení v lesích se zachytává na větvích nebo...

Newsletter

Subscribe to stay updated.