Søg efter axions fra den nærliggende stjerne Betelgeuse kommer op tom

Den undvigende axionpartikel er mange gange lettere end en elektron, med egenskaber, der knap gør indtryk på almindeligt stof. Som sådan, den spøgelseslignende partikel er en førende udfordrer som en bestanddel af mørkt stof - en hypotetisk, usynlig type stof, der menes at udgøre 85 procent af massen i universet.

Axioner har hidtil unddraget sig opdagelse. Fysikere forudsiger, at hvis de eksisterer, de skal produceres i ekstreme miljøer, såsom stjernernes kerne ved afgrunden af ​​en supernova. Når disse stjerner spyr aksioner ud i universet, partiklerne, ved at støde på omgivende magnetfelter, skulle kort forvandle sig til fotoner og potentielt afsløre sig selv.

Nu, MIT fysikere har søgt efter aksioner i Betelgeuse, en nærliggende stjerne, der forventes at brænde ud som en supernova snart, i hvert fald på astrofysiske tidsskalaer. På grund af dens forestående død, Betelgeuse burde være en naturlig fabrik af aksioner, konstant kværning af partiklerne, mens stjernen brænder væk.

Imidlertid, da holdet ledte efter forventede signaturer af axions, i form af fotoner i røntgenbåndet, deres søgning blev tom. Deres resultater udelukker eksistensen af ​​ultralette aksioner, der kan interagere med fotoner over en bred vifte af energier. Resultaterne sætter nye begrænsninger for partiklens egenskaber, der er tre gange stærkere end nogen tidligere laboratoriebaserede axion-detekterende eksperimenter.

"Hvad vores resultater siger er, hvis du vil lede efter disse virkelig lette partikler, som vi ledte efter, de kommer ikke til at tale særlig meget til fotoner, siger Kerstin Perez, adjunkt i fysik ved MIT. "Vi gør dybest set alles liv sværere, fordi vi siger, 'du bliver nødt til at tænke på noget andet, der ville give dig et axion-signal'."

Perez og hendes kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i Fysisk gennemgangsbreve . Hendes MIT medforfattere inkluderer hovedforfatter Mengjiao Xiao, Brandon Roach, og Melaina Nynka, sammen med Maurizio Giannotti fra Barry University, Oscar Straniero fra Abruzzo Astronomical Observatory, Alessandro Mirizzi fra National Institute for Nuclear Physics i Italien, og Brian Grefenstette fra Caltech.

En jagt på kobling

Mange af de nuværende eksperimenter, der søger efter aksioner, er designet til at lede efter dem som et produkt af Primakoff-effekten, en proces, der beskriver en teoretisk "kobling" mellem aksioner og fotoner. Axioner menes normalt ikke at interagere med fotoner - deraf deres sandsynlighed for at være mørkt stof. Imidlertid, Primakoff-effekten forudsiger, at når fotoner udsættes for intense magnetiske felter, såsom i stjernekerner, de kunne forvandles til aksioner. Centrum for mange stjerner bør derfor være naturlige aksionsfabrikker.

Når en stjerne eksploderer i en supernova, det burde slynge aksionerne ud i universet. Hvis de usynlige partikler løber ind i et magnetfelt, for eksempel mellem stjernen og Jorden, de skulle blive til fotoner igen, formentlig med en vis påviselig energi. Forskere er på jagt efter aksioner gennem denne proces, for eksempel fra vores egen sol.

"Men solen har også blusser og afgiver røntgenstråler hele tiden, og det er svært at forstå, " siger Perez. Hun og hendes kolleger ledte i stedet efter aksioner fra Betelgeuse, en stjerne, der normalt ikke udsender røntgenstråler. Stjernen er blandt dem, der er tættest på Jorden, som forventes at eksplodere snart.

"Betelgeuse er i en temperatur og en livsfase, hvor du ikke forventer at se røntgenstråler komme ud af den, gennem standard stjerneastrofysik, " Perez forklarer. "Men hvis aksioner eksisterer, og kommer ud, vi ser måske en røntgensignatur. Så derfor er denne stjerne et flot objekt:Hvis du ser røntgenstråler, det er et rygende pistolsignal om, at det skal være aksioner."

'Data er data'

Forskerne ledte efter røntgensignaturer af aksioner fra Betelgeuse, ved hjælp af data taget af NuSTAR, NASAs rumbaserede teleskop, der fokuserer højenergi røntgenstråler fra astrofysiske kilder. Holdet indhentede 50 kilosekunders data fra NuSTAR i den tid, teleskopet blev trænet på Betelgeuse.

Forskerne modellerede derefter en række røntgenstråler, som de kunne se fra Betelgeuse, hvis stjernen spyede aksioner ud. De betragtede en række masser, som en aksion kunne være, samt en række sandsynligheder for, at aksionerne ville "koble sig" til og omdannes til en foton, afhængig af magnetfeltstyrken mellem stjernen og Jorden.

"Ud af al den modellering, du får en række af, hvordan dit røntgensignal af aksioner muligvis kunne se ud, " siger Perez.

Da de søgte efter disse signaler i NuSTARs data, imidlertid, de fandt intet over deres forventede baggrund eller uden for nogen almindelige astrofysiske kilder til røntgenstråler.

"Betelgeuse er sandsynligvis i de sene stadier af udviklingen og burde i så fald have en stor sandsynlighed for at konvertere til aksioner, " siger Xiao. "Men data er data."

I betragtning af de forskellige forhold, de overvejede, holdets nulresultat udelukker et stort rum af muligheder og sætter en øvre grænse, der er tre gange stærkere end tidligere grænser, fra laboratoriebaserede søgninger, for hvad en axion skal være. I det væsentlige, dette betyder, at hvis aksioner er ultralette i masse, holdets resultater viser, at partiklerne skal være mindst tre gange mindre tilbøjelige til at koble til fotoner og udsende eventuelle påviselige røntgenstråler.

"Hvis aksioner har ultralette masser, vi kan helt sikkert fortælle dig, at deres kobling skal være meget lille, ellers havde vi set det " siger Perez.

Ultimativt, det betyder, at videnskabsmænd måske skal se til andre, mindre detekterbare energibånd til aksionssignaler. Imidlertid, Perez siger, at jagten på aksioner fra Betelgeuse ikke er slut.

"Hvad ville være spændende, hvis vi ser en supernova, som ville antænde en enorm mængde aksioner, der ikke ville være i røntgenstråler, men i gammastråler, " siger Perez. "Hvis en stjerne eksploderer, og vi ikke ser aksioner, så får vi virkelig stringente begrænsninger på en aksions kobling til fotoner. Så alle krydser fingre for, at Betelgeuse går af."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.