Науковці використовували дані про випромінювання нейтронних зірок у радіодієстоні для пошуку аксіонів - гіпотетичних елементарних частинок, які претендують на приналежність до темної матерії. Фізики скористалися тим, що сильне магнітне поле від нейтронних зірок має призводити до переходу темних аксіонів у фотони, які вже можна зареєструвати на Землі за допомогою радіотелескопів. Дослідникам не вдалося зареєструвати такі процеси, але отримані обмеження на константу взаємодії перевершили інші експерименти в частині діапазону мас, а вдосконалення методу і нові телескопи в майбутньому потенційно дозволять використовувати нейтронні зірки для виявлення найлегших частинок темної матерії. Стаття опублікована в журналі.
Фізики вже давно навчилися з високою точністю передбачати характеристики матерії за допомогою Стандартної моделі: пошук відхилень експериментальних даних від прогнозів цієї загальноприйнятої теорії зріс в окрему область фізики частинок. Проте Стандартної моделі недостатньо для повного опису нашого світу, навіть якщо забути про гравітацію, що не входить до неї. Наприклад, в рамках цієї теорії не можна пояснити аномально високу швидкість обертання зовнішніх областей галактик і ефект гравітаційного лінзування: для цього недостатньо присутності у Всесвіті тільки видимої матерії. Ця проблема вирішується, якщо припустити, що у всесвіті існує ще не відома нам форма матерії, яка і відіграє роль прихованої маси в описаних вище явищах. Її існування передбачається і з даних про флуктуації в температурі реліктового випромінювання. Через те, що вона не повинна бути бачима безпосередньо, такій гіпотетичній формі матерії дали загальну назву - темна матерія.
Існує безліч припущень про форму, в якій могла б існувати темна матерія: від найлегших стерильних нейтрино до важких вімпів. Одним з альтернативних кандидатів на роль частинок темної матерії є темний аксіон - гіпотетична надлегка нейтральна елементарна частинка. Крім пояснення природи темної матерії, існування аксіонів дозволило б наблизитися до пояснення і сильної CP-проблеми - ще однієї неточності передбачень Стандартної моделі, що полягає у відсутності порушень CP-симетрії в квантовій хромодинаміці. На практиці ця проблема проявляється, наприклад, в тому, що за останніми експериментальними даними у нейтрона немає електричного дипольного моменту, причому похибка цих результатів в трильйон разів менше, ніж передбачуване теорією абсолютне значення самого дипольного моменту. Саме в спробі пояснити CP-інваріантність квантової хромодинаміки Роберто Печчеї і Хелен Квінн постулювали існування аксіона в 1977 році. Однак ні аксіони в рамках Стандартної моделі, ні їх темні аналоги, як і інші гіпотетичні темні частинки, поки не вдалося зареєструвати з упевненістю в результаті.
Реєстрація темних аксіонів - вкрай складне завдання: згідно з теоріями, що передбачають їх існування, такі частинки дуже слабо взаємодіють з частинками Стандартної моделі. Але в цьому випадку корисною для фізиків обставиною є інша особливість темного аксіону, який може перетворюватися на фотон при взаємодії з сильним магнітним полем з резонансною для аксіону частотою. При цьому частота народженого фотону, як, власне, і резонансна частота, залежить від маси аксіону, і для передбачуваної маси в 5 - 25 мікроелектронвольт лежить в радіоді^ оні: близько декількох гігагерц. Це явище, яке в загальному випадку називається ефектом Примакова, змусило фізиків поглянути на нейтронні зірки як на потенційне джерело таких фотонів: адже самі нейтронні зірки є джерелами найсильніших магнітних полів, ми багато чого знаємо про їх спектри, і деякі з них розташовані від нас на досить невеликій відстані (близько сотень парсек). У разі, якщо в околиці нейтронної зірки виникає необхідне магнітне поле, в її спектрі можуть бути зареєстровані сліди перетворення темного аксіону на фотон, а частота останнього буде говорити про масу аксіона.
Група вчених на чолі з Джошуа Фостером (Joshua Foster) з Мічиганського університету використовували радіотелескоп Грін-Бенк і Ефельсберзький радіотелескоп для спостереження за низкою об'єктів, від яких очікувався яскравий сигнал перетворення аксіонів на фотони, в тому числі за центром Чумацького Шляху, а також за двома прилеглими до нього нейтронними зірками RX і RX R. Щоб виключити вплив фону при вимірах на Грін-Бенк, дослідники періодично (раз на 5 хвилин при загальній тривалості вимірювань в 40 хвилин) відводили телескоп від досліджуваного об'єкта на сусідню ділянку умовно порожнього неба, а в разі вимірювань Ефельсберзького телескопа вчені обмежилися одноразовими тривалими вимірами об'єктів і порожнього неба. Отриманий фон віднімався з підсумкових вимірювань, а результатом спостережень стала залежність від частоти верхньої межі щільності потоку випромінювання досліджених джерел в діапазоні від 1,2 до 2,7 гігагерц, але в підсумкових даних не знайшли слідів процесів переходу аксіонів у фотони.
Далі фізикам потрібно було перевести отримані результати в обмеження на константу взаємодії процесу переходу аксіона в фотон. Для цього вчені провели моделювання досліджуваного процесу в околиці вивчених об'єктів, врахувавши їх місце розташування і прогнозовані розподілу щільності аксійної темної матерії навколо них, похибка відповідні обчислень для центру Чумацького Шляху виявилася сильно більшою, ніж для нейтронних зірок. Тим не менш, отримані обмеження на константу взаємодії перевершили результати експерименту CAST в ЦЕРНІ і виявилися порівнянні з такими в експериментах UF і RBF в діапазоні мас аксіонів від 5 до 10 мікроелектронвольт, а в проміжку між 10 і 11 мікроелектронвольт обмеження виявилися найсильнішими на даний момент. Таким чином фізики ще трохи наблизилися до очікуваних значень константи взаємодії, що відповідає аксіону в рамках квантової хромодинаміки.
Автори відзначають і те, що дане дослідження - лише перша спроба використовувати нейтронні зірки в якості проб існування аксійної темної матерії, і що в подальшому продемонстрований метод може бути поліпшений для отримання ще більш суворих обмежень. Вчені покладають великі надії і на нові покоління радіотелескопів, за допомогою яких можна буде на порядки збільшити чутливість вимірювань. Також фізики вказують на важливість проведення аналогічних вимірювань для частот близько 6 гігагерц, що відповідає масі аксіона в 25 мікроелектронвольт, так як саме ця маса найбільш очікувана для темного аксіону.
Джерелом магнітного поля для переходу аксіону в фотон зовсім не обов'язково повинна бути нейтронна зірка: раніше ми розповідали про експеримент ADMX, в якому детектор самостійно генерує магнітне поле в охолодженій порожнині і реєструє народжені в ній фотони. А про реєстрацію інших рідкісних подій у світі елементарних частинок можна почитати в нашому матеріалі "Раритети мікроміру: Повернення невловимих ".