Новости космоса и технологий. » Физика » Поиск сигналов аксионной конверсии темной материи в магнитных полях вокруг нейтронных звезд

Поиск сигналов аксионной конверсии темной материи в магнитных полях вокруг нейтронных звезд

Опубликовал: Admin, 22-11-2020, 01:01, Физика, 4 832, 0

Поиск сигналов аксионной конверсии темной материи в магнитных полях вокруг нейтронных звезд

Согласно теоретическим предсказаниям, аксионная темная материя может быть преобразована в радиочастотное электромагнитное излучение, когда она приближается к сильным магнитным полям, окружающим нейтронные звезды. Эту радиосигнатуру, которая будет характеризоваться сверхузким спектральным пиком на частоте, зависящей от массы рассматриваемой аксионной частицы темной материи, можно было бы обнаружить с помощью высокоточных астрономических инструментов.

Исследователи из Мичиганского университета, Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и других институтов по всему миру недавно провели поиск следов этого аксиона темная материя преобразование данных, собранных двумя мощными телескопами, телескопом Грин Бэнк (GBT) и телескопом Эффельсберга. Их исследование было основано на их предыдущих исследовательских усилиях и теоретических предсказаниях, последним из которых является статья, опубликованная в 2018 году.

«Идея, предложенная в нашей более ранней работе и конкретизированная во многих последующих публикациях всего сообщества, заключается в том, что аксионная темная материя может преобразовываться в узкополосное радиоизлучение в Сильных магнитных полях , Окружающих нейтронные звезды», - Бенджамин Р. Сафди, один из исследователей, проводивших исследование, сообщил Phys.org. «Однако эти более ранние работы являются чисто теоретическими и включают предположения о том, как на самом деле сигнал может быть обнаружен в присутствии зашумленных реальных данных телескопа. Понятно, что существует некоторый скептицизм по поводу осуществимости такого поиска».

Для проведения поисков Сафди и его коллеги сначала получили большой массив соответствующих данных, собранных с помощью радиотелескопов. Они собрали эти данные с помощью GBT и радиотелескопа Эффельсберга, двух крупнейших радиотелескопов в мире, расположенных в Западной Вирджинии (США) и на холмах Ар (Германия) соответственно.

Исследователи направили эти два телескопа на множество целей в Млечном Пути и других близлежащих галактиках. К ним относятся нейтронные звезды, расположенные довольно близко к Солнцу, а также другие области неба, которые, как известно, содержат множество нейтронных звезд (например, в направлении центра нашей галактики). Затем они записали мощность, измеренную телескопом, в диапазоне частот. Сигнал, связанный с преобразованием аксионной темной материи, вызовет избыточную мощность в одночастотном канале.

«Затем мы разработали и внедрили новые сложные методы сбора данных и анализа, чтобы отделить предполагаемый аксионный сигнал от мешающего фона», - сказал Сафди. «Наш поиск очень похож на поиск иголки в стоге сена, в том смысле, что мы собираем энергию по миллионам различных« частотных каналов », но ожидается, что аксион будет вносить избыточную мощность только в один из этих каналов, и мы это делаем. в настоящее время не знаю, какой именно ".

Ключевой проблемой, связанной с поиском сигнатур аксионного преобразования темной материи в данных радиотелескопа, является то, что можно также встретить вводящие в заблуждение сигналы. Фактически, земной фон (например, сигналы, излучаемые радиосвязью, микроволновыми печами и другим оборудованием на Земле) или сигналы, излучаемые другими астрофизическими явлениями, могут быть ошибочно приняты за сигналы, связанные с преобразованием аксионной темной материи в магнитосфере нейтронных звезд.

Чтобы решить эту проблему и убедиться, что они не ошибочно принимают другие сигналы за радиосигнатуры аксионного преобразования темной материи, Сафди и его коллеги использовали ряд стратегий. Например, поскольку реальные аксионные сигналы преобразования темной материи будут обнаруживаться только в той области, которую телескоп наблюдает в данный момент времени, в то время как земные сигналы будут наблюдаться как в этой области, так и на Земле, они быстро и непрерывно переключали телескоп с " на источнике «в места« вне источника », когда он указывал на пустые области в небе.

«Мы также внедрили сложные методы анализа данных для фильтрации и« изучения »свойств фона на основе самих данных», - сказал Сафди. «Объединив все эти методы вместе, мы смогли собрать и проанализировать данные и сделать окончательный вывод о том, что в данных нет никаких доказательств наличия аксионов. Это была нетривиальная задача, но это означает, что теперь мы разработали и продемонстрировали структура наблюдения и анализа, которая может быть использована в будущих исследованиях. Это, на мой взгляд, является основным значением статьи ".

В настоящее время аксионы являются одними из самых многообещающих кандидатов на темную материю, поэтому бесчисленные исследовательские группы по всему миру пытаются их обнаружить. Хотя все поиски были безуспешными, лабораторные поиски аксионной темной материи, такие как эксперимент Axion Dark Matter Experiment (ADMX), проведенные в Вашингтонском университете и других университетах по всему миру, пока дали наиболее многообещающие результаты.

Недавнее исследование, проведенное Сафди и его коллегами, предполагает, что поиски, основанные на данных радиотелескопа, могут быть не менее ценными в поисках аксионной темной материи. Интересно, что проведенный ими поиск основан на тех же фундаментальных принципах, что и лабораторные эксперименты, известные как «галоскопы».

Галоскопы - это экспериментальные стратегии преобразования аксионной темной материи в наблюдаемые электромагнитные сигналы с использованием больших лабораторных магнитных полей. Согласно теоретическим предсказаниям, в присутствии этих магнитных полей аксионы должны трансформироваться в электромагнитное излучение , причем степень этого излучения изменяется в зависимости от размера этих полей (то есть, чем больше поле, тем больше электромагнитная сигнатура аксиона).

«Передовые лабораторные эксперименты, такие как эксперимент ADMX, используют магнитные поля, приближающиеся к ~ 10 Тесла (обратите внимание, что напряженность магнитного поля в современном аппарате МРТ обычно составляет около ~ 1 Тесла)», - пояснил Сафди. «Нейтронные звезды, с другой стороны, могут содержать магнитные поля величиной до 100 миллиардов Тесла. Более того, магнитные поля простираются на сотни километров вокруг нейтронных звезд, в то время как лабораторный эксперимент может поддерживать эти поля только на доли метр ".

По сути, в своем поиске исследователи пытались обнаружить те же сигналы, которые другие команды пытались обнаружить в лабораторных экспериментах. Однако, в то время как в лабораторных экспериментах процесс преобразования аксион-фотон будет редким, а результирующий сигнал будет обнаружен только с помощью сложных и хорошо экранированных инструментов, в областях, окружающих нейтронную звезду, тот же сигнал будет усиленным и сильным. До сих пор большинство физиков предпочитали проводить поиск темной материи на основе галоскопов в лаборатории, потому что электромагнитные сигналы, производимые в регионах, удаленных от Земли, по-прежнему трудно наблюдать с помощью существующих астрономических инструментов, поскольку они тускнеют с расстоянием.

«Наша работа показывает, что радионаблюдения нейтронных звезд могут конкурировать с лабораторными исследованиями и будут играть важную роль в будущем в открытии аксионных частиц темной материи», - сказал Сафди. «Я думаю, что это важное открытие, потому что это означает, что радиотелескопы должны быть частью разговоров, посвященных инструментам для обнаружения аксионной темной материи».

Недавняя работа Сафди и его коллег предполагает, что наблюдения с помощью радиотелескопа. нейтронные звезды может быть многообещающим путем к обнаружению аксионной темной материи. Хотя они не смогли обнаружить сигналы, которые искали, их поиск позволил исследователям установить ограничения на допустимое пространство параметров аксионной темной материи, немного превысив существующие.

К сожалению, уровень чувствительности установленных ими ограничений недостаточно высок для того, чтобы их результаты повлияли на наиболее известные модели аксионов квантовой хромодинамики (КХД). Тем не менее, это недавнее исследование служит доказательством принципа и может открыть путь для аналогичных поисков с использованием других данных или инструментов.

Диапазон масс аксионной темной материи, который исследователи исследовали до сих пор (т.е. примерно 10 микроэВ), - это диапазон, который в конечном итоге может подтвердить изобилие темной материи в нашей Вселенной. Например, в другом исследовании Сафди и его коллеги Джошуа В. Фостер и Мальте Бушманн подсчитали, что для подтверждения текущих предсказаний о преобладании темной материи во Вселенной масса аксионов должна быть между 10 и 40 микроэВ.

"Это предсказание делает предположения о том, как именно аксионная темная материя образуется в ранней Вселенной, поэтому возможно, что задействованы более сложные механизмы производства, которые выведут аксион за пределы этого окна, но я думаю, что в настоящее время Окно аксиона ~ 10–40 микроэВ является одним из наиболее мотивированных диапазонов масс для аксиона », - сказал Сафди. «Хотя наша статья исследует аксионы в этом диапазоне масс, наши результаты недостаточно чувствительны, чтобы исследовать наиболее мотивированную часть пространства параметров, которая является областью, описывающей аксион КХД».

Если бы они были подтверждены в экспериментах, теоретические модели аксионов КХД могли бы пролить свет на ряд других природных явлений, выходящих за рамки поиска темной материи; например, объясняя, почему нейтроны не вращаются в электрических полях. Эти модели, однако, предсказывают возникновение связей, которые в ~ 10-100 раз ниже, чем то, к чему были чувствительны инструменты, использованные в недавнем исследовании Сафди и его коллег. В


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии