Ученые придумали необычный метод в погоне за неуловимой частицей темной материи

Гипотетическая частица аксион — один из кандидатов на роль основы темной материи. Ученые попытались отследить ее взаимодействие с магнитными полями скоплений галактик.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Физики из Копенгагенского университета ловко «приспособили» гигантские магнитные поля скоплений галактик для наблюдения за далекими черными дырами и поиска неуловимой частицы аксиона, которая десятилетиями ставит ученых в тупик.

Самые массивные структуры во Вселенной, скопления галактик, на много порядков тяжелее Солнца. Аксионы, загадочные гипотетические частицы темной материи, гораздо легче самого легкого атома. Так называются гипотетические нейтральные псевдоскалярные элементарные частицы, квант поля, постулированного для сохранения CP-инвариантности в квантовой хромодинамике в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Аксион должен представлять собой псевдоголдстоуновский бозон, возникающий в результате спонтанного нарушения симметрии Печчеи — Квинн.

Если такая частица существует, она может стать ключом к пониманию темной материи, из которой, как полагают астрофизики, состоит до 80% массы Вселенной. Согласно идее Фрэнка Вильчека, высказанной в том же 1977 году, она должна «очистить» квантовую хромодинамику от неразрешимого противоречия CP-инвариантности.

Никто пока не доказал существование частиц, которые десятилетиями ускользают от исследователей. Но благодаря хитроумному трюку с далекими галактиками физики из Копенгагенского университета, возможно, подошли к этому ближе, чем кто-либо прежде.

Вместо ускорителей частиц на Земле, таких как Большой адронный коллайдер, исследователи обратились к космосу. Они использовали его как своего рода гигантский ускоритель частиц. Эксперты зафиксировали электромагнитное излучение, исходящее из ядер далеких и очень ярких галактик, в центре каждой из которых находится сверхмассивная черная дыра (СМЧД).

Затем они наблюдали это излучение в моменты его прохода через обширные магнитные поля, обнаруженные в скоплениях галактик. Предполагалось, что его часть могла бы преобразоваться в аксионы, что оставило бы после себя крошечные случайные флуктуации. Правда, каждый отдельный сигнал настолько слаб, что теряется в фоновом шуме Вселенной.

Поэтому ученые предложили новую концепцию. Вместо этого они наблюдали в общей сложности 32 сверхмассивные черные дыры, расположенные за скоплениями галактик, а затем объединили данные своих всех 32 сеансов наблюдений. Когда специалисты изучили совмещенные данные, они обнаружили закономерность, которая может оказаться сигнатурой неуловимой аксионной частицы.

Олег Ручайский, доцент Института Нильса Бора Копенгагенского университета и старший автор статьи в журнале Nature Astronomy, отметил, что обычно сигнал от таких частиц непредсказуем и выглядит как случайный шум. Но объединив данные из множества различных источников, астрофизики преобразовали весь этот шум в четкую, узнаваемую картину. Это проявилось как уникальный ступенчатый узор, показывающий, как может выглядеть преобразование.

Ученый признал, что пока видит это лишь как «намек на сигнал» в массиве данных, но это все равно очень заманчиво и волнующе. Можно назвать это «космическим шепотом», теперь достаточно громким, чтобы его услышать.

Хотя выявленная учеными закономерность не является однозначным доказательством существования аксионов, исследование Ручайского и его коллег приближает нас к пониманию того, что такое темная материя.

Лидия Задорожная, научный сотрудник программы Марии Кюри в Институте Нильса Бора, уверена, что новый метод значительно расширил знания об аксионах (если они существуют). Он позволил ученым составить карту большой области видимой Вселенной, где их точно нет. Это значительно сужает пространство дальнейших поисков. Эксперимент был сосредоточен на определенном типе электромагнитного излучения (гамма-лучах), метод может быть использован и для других типов излучения, например, рентгеновских лучей.

Мы очень воодушевлены, потому что это не разовое достижение. Этот метод позволяет нам выйти за рамки прежних экспериментальных возможностей и открывает новый путь к изучению этих неуловимых частиц. Эту методику мы и другие группы можем повторить в широком диапазоне масс и энергий. Таким образом, мы сможем добавить новые фрагменты к головоломке, объясняющей природу темной материи.Лидия Задорожнаясоавтор исследования.

Аксионы — не единственные кандидаты на роль «кирпичиков» темной материи. Согласно другой гипотезе в ее основе лежат WIMP (weakly interacting massive particles, слабовзаимодействующие массивные частицы) с нулевым зарядом и потому невидимые для современных приборов. О поисках читайте в материалах Hi-Tech Mail.

• космос

Поделиться