附近的超新星可能会终止对暗物质的搜索

Josiah02

寻找宇宙暗物质的征程可能在明天就结束——只要附近有一颗超新星，再加上一点运气。自从人们意识到宇宙中 85% 的物质无法通过望远镜观测到以来，暗物质的本质已经困扰天文学家 90 年之久。目前最有可能的暗物质候选者是轴子，这是一种轻粒子，世界各地的研究人员都在拼命寻找它。
加州大学伯克利分校的天体物理学家现在认为，在探测到附近超新星爆炸产生的伽马射线后几秒钟内，轴子就可能被发现。如果轴子存在的话，那么在大质量恒星核心坍缩为中子星后的前 10 秒内，轴子就会大量产生，这些轴子会逃逸并在恒星的强磁场中转化为高能伽马射线。
如今，只有当轨道上唯一的伽马射线望远镜——费米伽马射线太空望远镜在超新星爆炸时指向其方向时，才有可能进行这样的探测。考虑到望远镜的视野，这种可能性约为十分之一。
然而，一次伽马射线的探测就能在很大的理论质量范围内确定轴子的质量，特别是所谓的 QCD 轴子，包括目前正在地球上的实验中搜索的质量范围。然而，如果没有探测到，轴子的潜在质量范围就会被排除，并使目前大多数暗物质搜索变得毫无意义。
问题是，要使伽马射线足够明亮以便探测，超新星必须位于附近——在我们的银河系或其卫星星系之一内——而附近的恒星平均每隔几十年才会爆炸一次。上一次附近的超新星爆炸发生在 1987 年的大麦哲伦星云中，它是银河系的卫星之一。当时，一架现已停用的伽马射线望远镜——太阳极大期任务——正指向这颗超新星的方向，但根据加州大学伯克利分校团队的分析，它的灵敏度不足以探测到预测的伽马射线强度。
“如果我们用现代伽马射线望远镜观测超新星，比如超新星 1987A，我们就能够在其大部分参数空间中探测或排除这个 QCD 轴子，这个最有趣的轴子——基本上是整个无法在实验室探测的参数空间，以及大部分可以在实验室探测的参数空间，”加州大学伯克利分校物理学副教授、 11 月 19 日在线发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文的资深作者本杰明·萨夫迪说。“这一切都会在 10 秒内发生。”
然而，研究人员担心，当这颗姗姗来迟的超新星在附近的宇宙中爆发时，我们可能还没准备好观测轴子产生的伽马射线。科学家们目前正在与建造伽马射线望远镜的同事讨论，以判断发射一架或一队这样的望远镜是否可行，这样可以全天候覆盖 100% 的天空，并确保捕捉到任何伽马射线爆发。他们甚至为他们的全天伽马射线卫星星座提出了一个名字——GALactic AXion Instrument for Supernova，简称 GALAXIS。
“我认为，在拥有合适的仪器之前，我们所有人都担心下一颗超新星会爆发，”萨夫迪说。“如果明天超新星爆发，我们错过了探测轴子的机会，那将是一件非常遗憾的事——它可能还要 50 年才会回来。”
Safdi 的合著者是研究生 Yujin Park 和博士后研究员 Claudio Andrea Manzari 和 Inbar Savoray。这四人都是加州大学伯克利分校物理系和劳伦斯伯克利国家实验室理论物理组的成员
QCD 轴子
暗物质的搜寻最初集中在理论上遍布我们银河系和宇宙的微弱、大质量致密晕体 (MACHO) 上，但当这些物体未能实现时，物理学家开始寻找理论上遍布我们周围、应该可以在地球实验室中探测到的基本粒子。这些弱相互作用大质量粒子 (WIMP) 也未能出现。
目前，暗物质的最佳候选者是轴子，这种粒子与物理学的标准模型非常吻合，并解决了粒子物理学中其他几个悬而未决的难题。轴子也完全符合弦理论（一种关于宇宙基本几何的假说），并且可能能够统一引力理论（解释宇宙尺度上的相互作用）和量子力学理论（描述无穷小）。
萨夫迪说：“似乎几乎不可能建立一个与量子力学相结合的、不包含轴子等粒子的一致引力理论。”
轴子中最强的候选者是 QCD 轴子，以强力的主流理论量子色动力学命名。理论上，它可以通过四种自然力与所有物质相互作用，尽管这种相互作用很弱：引力、电磁力、强力（将原子结合在一起）和弱力（解释原子分裂的原因）。
其中一个结果是，在强磁场中，轴子偶尔会变成电磁波或光子。轴子与另一种轻量、弱相互作用的粒子——中微子截然不同，中微子只通过引力和弱力相互作用，完全忽略电磁力。
实验室实验——例如 ALPHA 联盟（轴子纵向等离子体 HAloscope）、DMradio 和 ABRACADABRA，均有加州大学伯克利分校的研究人员参与——采用紧凑腔体，就像音叉一样，与低质量轴子在强磁场中转变时产生的微弱电磁场或光子产生共振并放大这些电磁场或光子。
或者，天体物理学家提议寻找在核心坍缩超新星（如 1987A）之后立即在中子星内部产生的轴子。然而，到目前为止，他们主要关注的是探测这些轴子在星系磁场中缓慢转化为光子时产生的伽马射线。萨夫迪和他的同事意识到，这个过程产生伽马射线的效率不高，或者至少不足以从地球上探测到。
相反，他们研究了轴子在产生轴子的恒星周围的强磁场中产生伽马射线的过程。超级计算机模拟显示，这一过程非常有效地产生了伽马射线爆发，其数量取决于轴子的质量，并且爆发应该与热中子星内部的中微子爆发同时发生。然而，轴子爆发在中子星形成后仅持续了 10 秒——此后，产生率急剧下降——尽管在恒星外层爆炸前数小时。
“这确实让我们想到，中子星是作为轴子实验室寻找轴子的最佳目标，”萨夫迪说。“中子星有很多优势。它们是极热的物体。它们还拥有非常强的磁场。我们宇宙中最强的磁场位于中子星周围，例如磁星，它们的磁场比我们在实验室中能制造的任何东西都要强数百亿倍。这有助于将这些轴子转换成可观测的信号。”
两年前，萨夫迪和他的同事将 QCD 轴子质量的最佳上限设定为约 1600 万电子伏特，或比电子质量低约 32 倍。这是基于中子星的冷却速度得出的，如果轴子和中微子在这些炽热、致密的天体内部同时产生，中子星的冷却速度会更快。
在当前的论文中，加州大学伯克利分校的研究小组不仅描述了核心坍缩为中子星后伽马射线的产生，还利用1987A超新星未探测到伽马射线的事实对类轴子粒子的质量进行了迄今为止最好的限制，这些粒子与QCD轴子的不同之处在于它们不通过强力相互作用。
他们预测，如果伽马射线探测高于 50 微电子伏特（微电子伏特，或 μeV），即电子质量的 100 亿分之一，那么伽马射线探测将使他们能够识别 QCD 轴子的质量。萨夫迪说，一次探测就可以重新聚焦现有的实验，以确认轴子的质量。虽然一组专用的伽马射线望远镜是探测附近超新星伽马射线的最佳选择，但幸运地与费米望远镜相遇会更好。
“对于轴子来说，最好的情况是费米望远镜捕捉到一颗超新星。但这种可能性很小，”萨夫迪说。“但如果费米望远镜捕捉到它，我们就能测量它的质量。我们就能测量它的相互作用强度。我们就能确定关于轴子我们需要知道的一切，而且我们对信号非常有信心，因为没有普通物质能产生这样的事件。”