Почему солнечные аксионы не могут объяснить наблюдаемый избыток XENON1T
AstroNews.ru - 06 Ноября 2020 09:33:59
В течение нескольких десятилетий физики и астрофизики строили теории о существовании темной материи во Вселенной. Этот неуловимый тип материи будет состоять из частиц, которые не поглощают, не отражают и не излучают свет, и, следовательно, не могут быть обнаружены с помощью обычных инструментов для наблюдения за частицами.
Одним из наиболее многообещающих кандидатов на темную материю является аксион. Аксионы - это гипотетические частицы, которые были впервые введены для объяснения необычных наблюдений, связанных с сильными ядерными взаимодействиями. Впоследствии физики-теоретики предположили, что аксионы составляют части массы Вселенной, которые до сих пор не учтены и, таким образом, могут быть, по сути, темной материей. С тех пор бесчисленное количество команд по всему миру проводили поиск аксионов, используя множество мощных и сложных детекторов.
Несколько месяцев назад международная исследовательская группа, известная как XENON Collaboration, обнародовала новые данные, собранные XENON1T, чувствительным детектором взаимодействия между темной материей и обычными частицами. Эти данные содержат удивительный избыток событий, которые могут быть намеком на существование никогда ранее не наблюдавшихся частиц, таких как солнечные аксионы.
Исследователи из Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Университета Барселоны, Университета Барри и Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) недавно изучили данные, собранные детектором XENON1T, в надежде лучше понять, может ли обнаруженный избыток на самом деле быть проявление солнечных аксионов. Результаты их анализа и их соображения, опубликованные в Physical Review Letters, похоже исключают возможность того, что солнечные аксионы стоят за неожиданными наблюдениями коллаборации XENON.
«Когда был объявлен результат XENON1T, мы проводили тщательное исследование эффектов аксионного излучения от различных астрофизических тел», сообщили по электронной почте авторы исследования: Лука Ди Луцио, Марко Феделе, Маурицио Джаннотти, Федерико Месиа и Энрико Нарди. «Таким образом, мы оказались в оптимальной ситуации, чтобы легко понять, что специфические свойства аксиона, требуемые объяснением XENON1T, сильно противоречат наблюдениям звездной эволюции».
В своей недавней статье Ди Луцио и его коллеги показывают, что гипотеза солнечных аксионов как избытка XENON1T не верна, поскольку противоречит предыдущим астрофизическим наблюдениям. Они надеются, что, исключив такую возможность, их работа побудит другие команды найти и изучить альтернативные объяснения. По мнению исследователей, превышение вероятности может быть либо результатом нерешенной проблемы с экспериментальной установкой, либо указанием на другое экзотическое физическое явление.
«Солнечные аксионы не могут объяснить аномальное наблюдение XENON1T просто потому, что по сравнению с другими типами звезд, которые характеризуются гораздо большей плотностью ядра и температурой, Солнце не очень эффективно производит аксионы», - пояснили исследователи. «Если бы наблюдаемый избыток интерпретировался как следствие солнечных аксионов, тогда другие типы звезд могли бы производить аксионы в избытке, они бы сияли как интенсивные «аксионные маяки», теряя энергию из своих внутренних ядер с такой большой скоростью, что их эволюция была бы радикально изменена. Это находится в серьезном противоречии со многими прошлыми астрономическими наблюдениями".
Одним из примеров астрономических данных, которые противоречат гипотезе солнечных аксионов, являются наблюдения за звездным населением. Фактически, чтобы объяснить избыток XENON1T, солнечные аксионы должны иметь настолько большие параметры, что все звездное население, так называемые звезды с горизонтальной ветвью (HB), будет очень мало заселено. Если бы это было так, то в ближайших шаровых скоплениях не было бы звезд HB, где исследователи фактически обнаружили несколько из них.
«Наше исследование следует рассматривать в основном как вклад в поддержание усилий сообщества на правильном пути», - заявили исследователи. «Первоначальный энтузиазм по поводу возможного «открытия аксиона» мог бы отвлечь экспериментальные и теоретические усилия в направлении, которое фактически является тупиком».
Помимо исключения возможности того, что солнечные аксионы объясняют избыток XENON1T, недавняя работа, проведенная Ди Луцио и его коллегами, подчеркивает важность тщательного рассмотрения астрофизических последствий моделей аксионов при попытке оценить их феноменологическую жизнеспособность. В своей статье исследователи подчеркивают важность связи между аксионами и астрофизикой, поскольку первые доказательства существования аксионов могут в конечном итоге прийти непосредственно из астрофизических наблюдений.
В настоящее время команда проводит дальнейшие исследования физики аксионов. Эти исследования сосредоточены на широком круге тем, включая космологические и астрофизические последствия аксионов, построение аксионных моделей и феноменологические аспекты поисков аксионов, проводимых как в лабораторных, так и в наземных экспериментах.
«Каждый участник нашей команды имеет определенные навыки в различных аспектах физики аксионов», - сказали исследователи. «В настоящее время мы проводим тщательный анализ большого количества астрофизических наблюдений, некоторые из которых демонстрируют интригующие расхождения между теоретическими предсказаниями и наблюдениями. Хотя, если рассматривать их по отдельности, уровень значимости каждой аномалии пока умеренный, глобальный анализ может выявить непротиворечивую закономерность и указать на объяснение в терминах некоего специфического типа аксиона».