La recherche en cours de matière noire, le type de matière insaisissable qui n'émet pas, n'absorbe pas ou ne reflète pas la lumière et est estimée pour tenir compte de la majeure partie de la masse de l'univers, n'a pas encore donné des résultats concluants. Les axions, les particules élémentaires hypothétiques qui ont d'abord été théorisées dans les années 1970, sont parmi les candidats les plus prometteurs à la matière noire.
Deux groupes de recherche différents, basés à Università di Padova, Universidad de Zaragoza / Tu Dortmund, Deutsches Elektronen-Synchrotron Desy et le SLAC National Accelerator Laboratory et l'autre à l'Université de Californie, Berkeley (UC Berkeley), ont récemment effectué des recherches indépendantes pour des axions à l'aide d'images de rayons X de galaxies collectées par les spectres nucléaires pour des axions X-Ray Images of Galaxies collectés par les Spectroscopic Nuclear (Nustar).
Leurs articles, tous deux publiés dans Lettres d'examen physiquedéfinissez des contraintes encore plus strictes sur les propriétés des axions, tout en ouvrant également de nouvelles possibilités pour la recherche future de ces candidats insaisissables de la matière noire.
« Bien qu'il soit bien trop tôt pour porter un jugement final, il est à noter que les recherches sur le LHC et à interagir faiblement sur les expériences de détection directe des particules massives ont rapporté des résultats nuls, renforçant ainsi l'intérêt toujours croissant pour de nouvelles particules de sous-GEV qui se coupaient très faiblement à la question ordinaire, » Edoardo Vitagliano, co-auteur du premier article, a déclaré à Issues.fr.
« À cet égard, les axions sont parmi les meilleurs candidats en ce moment pour la physique au-delà du modèle standard. Ils sont une généralisation de l'axion QCD, une nouvelle particule proposée à l'origine à la fin des années 1970 pour résoudre le soi-disant problème de CP fort. »
Dans leur article récent, Vitagliano et ses collègues ont décidé d'évaluer le potentiel d'une toute nouvelle sonde pour effectuer des recherches sur axion, qui vise spécifiquement à détecter leurs interactions avec les photons. Les étoiles sont connues pour générer une grande quantité de particules légères; Par exemple, un plasma stellaire produit constamment des neutrinos, qui peuvent facilement s'échapper en raison de leurs faibles interactions avec d'autres particules. L'idée derrière l'étude de l'équipe est que les axions peuvent être produits au cours de processus similaires dans lesquels les photons pourraient faiblement interagir avec eux.
« Des étoiles massives dans les galaxies Starburst telles que M82 (la galaxie de cigares), dans laquelle les étoiles se forment à un rythme exceptionnellement élevé, peuvent produire des axions qui sortent des noyaux denses et par la suite se décomposer à l'extérieur des étoiles, » dit Vitagliano. « Étant donné que la température dans de telles étoiles massives peut atteindre 100 millions de kelvin, l'énergie avec laquelle les axions sont tirés à partir des noyaux peuvent être d'environ 100 keV, donc des photons produisant similaires à ceux utilisés pour la radiographie diagnostique. »
Les chercheurs ont théorisé que le flux de photons produit par des étoiles massifs serait significativement différent des signaux de rayons X standard provenant des mêmes galaxies étoilées. Plus précisément, ils présenteraient un spectre dur (c'est-à-dire dominé par des particules à haute énergie) et une propagation angulaire (c'est-à-dire avec les particules voyageant dans différentes directions et sur une gamme d'angles), induite par des désintégres lentes de particules.
Ces différents signaux de rayons X pourraient donc être une sonde précieuse pour les axions. Dans le cadre de leur étude, Vitagliano et ses collègues ont démontré cette idée à l'aide d'images à rayons X collectées par le télescope Nustar, montrant qu'il pourrait s'agir d'un outil prometteur pour découvrir de nouvelles particules en décomposition et explorer la physique au-delà du modèle standard.
« Les axions produites dans le cœur de M82 se propagent pendant des dizaines de milliers d'années avant finalement se décomposer en photons, produisant un halo de radiographies entourant la galaxie, » a expliqué Damiano Fiorillo, co-auteur du journal.
« Nous avons déterminé la forme et l'intensité de ce halo, et en analysant les données du télescope Nustar, nous n'avons trouvé aucune preuve de ce signal parmi les plus de 1 ms d'observations. Par conséquent, la force avec laquelle l'axion interagit avec le photon doit être suffisamment faible, et nous avons utilisé cet argument pour obtenir des contraintes principales sur ces particules faiblement en interaction. »
Bien que la recherche récente effectuée par Vitagliano, Fiorillo et leurs collègues n'aient pas conduit à l'observation des axions, cela leur a permis d'explorer des parties précédemment inexplorées de l'espace des paramètres pour les axions avec des masses en dessous de Mev, montrant que la galaxie M82 est un laboratoire puissant pour sonder les axions avec une large gamme de masses.
« Tantalisationment, l'observation d'un signal d'axion autour de cette gamme de masse avec plus de données offrirait également des informations cruciales sur l'univers précoce, par exemple pointant vers une température de réchauffage relativement basse (c'est-à-dire la température à laquelle l'inflation se termine et une se retrouve avec un univers chaud, thermique et dominé par les rayonnements), » dit Vitagliano.
« Notre argument peut être appliqué à d'autres particules au-delà du modèle standard et également à différentes sources astrophysiques, tant que ces derniers sont suffisamment chauds pour produire les nouvelles particules, mais suffisamment froide pour éviter de grands facteurs de boost qui ralentissent la désintégration (en raison de la dilatation du temps, un phénomène bien connu dans la relativité). »
Les résultats de la recherche sur axion effectués par Vitagliano et ses collègues ont été publiés à peu près en même temps que ceux d'une recherche très similaire, effectuée par deux chercheurs à UC Berkeley. Cette deuxième équipe de recherche a également réalisé que les axions pouvaient être sondés à partir d'observations de Nustar.
« Notre idée a commencé par revisiter la littérature bien connue que les axions peuvent être abondamment produites dans les étoiles, » Said Orion Ning, co-auteur du deuxième article, a déclaré à Issues.fr. « Nous voulions jouer avec la nouvelle idée de la façon dont nous pourrions être en mesure de maximiser le signal d'axion en prédisant la quantité d'axions produites à partir des plus grandes populations stellaires auxquelles nous pouvions penser – les galaxies.
« Cette idée simple, qui a été effectuée à des échelles beaucoup plus petites dans le passé, a montré une promesse d'atteindre un nouvel espace de paramètres d'axion, en particulier avec les galaxies choisies judicieusement dont les populations stellaires peuvent s'approvisionner efficacement, comme M82. »
Après avoir réalisé que M82 et d'autres galaxies Starburst pourraient être de fortes sondes pour Axion Physics, Ning et son collègue Benjamin R. Safdi ont également décidé de tester cette idée. La base de leur recherche a été enracinée dans ce qui est communément appelé « Léger » expérience.
« La première étape de cette expérience est de prédire la production d'axion à l'intérieur des intérieurs stellaires de la population d'étoiles de la galaxie, qui provient de photons dans le plasma de l'étoile qui se convertit en axions, » expliqué ning. « Ces axions se jettent ensuite hors de l'étoile, et comme ils se dirigent vers nous, ils peuvent interagir avec les champs magnétiques de la galaxie, puis se replacer en photon. Ceux-ci sont tous médiés par la force de la forte interaction avec l'électromagnétisme, ce qui lui permet de «convertir» alors des photons et vice versa. »
De façon similaire à Vitagliano et à ses collègues, Ning et Safdi ont également analysé les données recueillies par le télescope à rayons X Nustar, à la recherche des mêmes signatures de l'axion induite par Axion « lumière. » Bien qu'ils n'aient pas non plus identifié de signatures de rayons X qui pourraient faire allusion à la présence d'axions, leurs efforts ont établi d'autres contraintes strictes sur la force des interactions entre les axions avec de très petites masses (c'est-à-dire plus légères que 10-10 ev) et photons.
« La réalisation la plus notable de notre travail est probablement de tirer parti de cette idée très simple – en utilisant de nombreuses étoiles au lieu d'un ou quelques-unes – pour maximiser réellement la quantité d'axions que nous serions en mesure de détecter en examinant les objets astrophysiques, » dit Ning. « De manière passionnante, nous sommes en mesure de sonder une grande bande d'espace des paramètres d'axion (masse et couplage) dans ce travail, et nous pensons qu'en ouvrant la porte à l'utilisation de populations stellaires entières, nous pourrons faire de longs progrès vers la découverte enfin – ou du moins le rétrécissement – où pourrait être l'axion. »
Ning et Safdi ont maintenant planifié d'autres études qui s'appuient sur la même idée. Dans leurs recherches futures, ils prévoient d'effectuer un type de recherche similaire qui considère plutôt le couplage des axions avec des électrons, se concentrant ainsi sur les populations stellaires galactiques qui pourraient produire des axions provenant des interactions électroniques.
« De même, nous terminons actuellement une autre variation de cette histoire où les axions peuvent être produits en couplant aux nucléons (c.-à-d. Neutrons et protons), et il existe des mécanismes intéressants par lesquels cela pourrait se produire, impliquant la physique nucléaire et la chimie, » Ajout de Ning.
« Il existe également une variété d'autres idées avec lesquelles nous jouons – le problème est que nous ne savons pas exactement comment l'axion pourrait apparaître, nous devons donc continuer à explorer toutes les directions auxquelles nous pouvons penser si nous voulons découvrir définitivement – ou exclure – l'axion. »
Vitagliano et ses collègues prévoient également des études supplémentaires pour explorer différents modèles de particules et sonde de particules qui pourraient rester proches de leur source en raison de l'attraction gravitationnelle, en s'appuyant sur un « bassin. » Ils essaieront d'observer ce bassin putatif autour de M82, s'appuyant également sur les données d'autres télescopes, tels que intégrale.
