Una supernova vicina potrebbe porre fine alla ricerca della materia oscura

La materia oscura degli assioni dovrebbe essere prodotta e convertita in raggi gamma durante una supernova. Avremo la fortuna di vederli?

 

 

La ricerca della materia oscura dell’universo potrebbe concludersi domani, con una supernova vicina e un po’ di fortuna.

La natura della materia oscura è sfuggita agli astronomi per 90 anni, da quando si sono resi conto che l’85% della materia nell’universo non è visibile attraverso i nostri telescopi.

Il candidato più probabile per la materia oscura oggi è l’assione, una particella leggera che i ricercatori di tutto il mondo stanno disperatamente cercando di trovare.

Gli astrofisici dell’Università della California, Berkeley, sostengono ora che l’assione potrebbe essere scoperto entro pochi secondi dalla rilevazione di raggi gamma da una vicina esplosione di supernova.

Gli assioni, se esistono, verrebbero prodotti in quantità abbondanti durante i primi 10 secondi dopo il collasso del nucleo di una stella massiccia in una stella di neutroni, e quegli assioni sfuggirebbero e verrebbero trasformati in raggi gamma ad alta energia nell’intenso campo magnetico della stella.

Una tale rilevazione è possibile oggi solo se l’unico telescopio a raggi gamma in orbita, il Fermi Gamma-ray Space Telescope, punta in direzione della supernova nel momento in cui esplode.

Dato il campo visivo del telescopio, si tratta di circa una possibilità su 10.

Tuttavia, una singola rilevazione di raggi gamma individuerebbe la massa dell’assione, in particolare il cosiddetto assione QCD, su una vasta gamma di masse teoriche, comprese le gamme di massa ora in fase di setacciamento negli esperimenti sulla Terra.

La mancanza di un rilevamento, tuttavia, eliminerebbe una vasta gamma di masse potenziali per l’assione e renderebbe irrilevanti la maggior parte delle attuali ricerche sulla materia oscura.

Il problema è che, affinché i raggi gamma siano abbastanza luminosi da essere rilevati, la supernova deve essere vicina – all’interno della nostra galassia, la Via Lattea o di una delle sue galassie satelliti – e le stelle vicine esplodono solo in media ogni pochi decenni.

L’ultima supernova vicina è stata nel 1987 nella Grande Nube di Magellano, uno dei satelliti della Via Lattea.

A quel tempo, un telescopio a raggi gamma ormai defunto, la Solar Maximum Mission, stava puntando nella direzione della supernova, ma non era abbastanza sensibile da essere in grado di rilevare l’intensità prevista dei raggi gamma, secondo l’analisi del team dell’UC Berkeley.

“Se dovessimo vedere una supernova, come la supernova 1987A, con un moderno telescopio a raggi gamma, saremmo in grado di rilevare o escludere questo assione QCD, questo assione più interessante, in gran parte del suo spazio parametrico, essenzialmente l’intero spazio dei parametri che non può essere sondato in laboratorio, e gran parte dello spazio dei parametri che può essere sondato in laboratorio. anche Benjamin Safdi, professore associato di fisica alla UC Berkeley e autore senior di un articolo pubblicato online il 19 novembre sulla rivista Physical Review Letters. “E tutto accadrebbe in 10 secondi”.

I ricercatori sono ansiosi, tuttavia, che quando la supernova attesa da tempo apparirà nell’universo vicino, non saremo pronti a vedere i raggi gamma prodotti dagli assioni.

Gli scienziati stanno ora parlando con i colleghi che costruiscono telescopi a raggi gamma per giudicare la fattibilità del lancio di uno o più di tali telescopi per coprire il 100% del cielo 24 ore su 24, 7 giorni su 7 ed essere certi di catturare qualsiasi lampo di raggi gamma.

Hanno anche proposto un nome per la loro costellazione di satelliti a raggi gamma: GALactic AXion Instrument for Supernova, o GALAXIS.

“Penso che tutti noi su questo articolo siamo stressati per l’esistenza di una prossima supernova prima di avere la strumentazione giusta”, ha detto Safdi. “Sarebbe un vero peccato se domani esplodesse una supernova e perdessimo l’opportunità di rilevare l’assione: potrebbe non tornare prima di altri 50 anni”.

I coautori di Safdi sono lo studente laureato Yujin Park e i borsisti post-dottorato Claudio Andrea Manzari e Inbar Savoray. Tutti e quattro sono membri del dipartimento di fisica dell’UC Berkeley e del Gruppo di Fisica Teorica del Lawrence Berkeley National Laboratory.

Assioni QCD

Le ricerche di materia oscura originariamente si sono concentrate su oggetti ad alone compatto deboli e massicci (MACHO) teoricamente sparsi in tutta la nostra galassia e nel cosmo, ma quando questi non si sono materializzati, i fisici hanno iniziato a cercare particelle elementari che teoricamente sono tutte intorno a noi e dovrebbero essere rilevabili nei laboratori terrestri.

Anche queste particelle massicce debolmente interagenti (WIMP) non si sono presentate.

L’attuale miglior candidato per la materia oscura è l’assione, una particella che si adatta perfettamente al modello standard della fisica e risolve molti altri enigmi in sospeso nella fisica delle particelle.

Gli assioni escono anche dalla teoria delle stringhe, un’ipotesi sulla geometria sottostante dell’universo, e potrebbero essere in grado di unificare la gravità, che spiega le interazioni su scale cosmiche, con la teoria della meccanica quantistica, che descrive l’infinitesimale.

“Sembra quasi impossibile avere una teoria coerente della gravità combinata con la meccanica quantistica che non abbia particelle come l’assione”, ha detto Safdi.

Il candidato più forte per un assione, chiamato assione QCD – dal nome della teoria dominante della forza forte, la cromodinamica quantistica – interagisce teoricamente con tutta la materia, anche se debolmente, attraverso le quattro forze della natura: gravità, elettromagnetismo, la forza forte, che tiene insieme gli atomi, e la forza debole, che spiega la rottura degli atomi.

Una conseguenza è che, in un forte campo magnetico, un assione dovrebbe occasionalmente trasformarsi in un’onda elettromagnetica, o fotone.

L’assione è nettamente diverso da un’altra particella leggera e debolmente interagente, il neutrino, che interagisce solo attraverso la gravità e la forza debole e ignora totalmente la forza elettromagnetica.

Gli esperimenti di laboratorio – come l’ALPHA Consortium (Axion Longitudinal Plasma HAloscope), DMradio e ABRACADABRA, che coinvolgono tutti ricercatori dell’UC Berkeley – impiegano cavità compatte che, come un diapason, risuonano e amplificano il debole campo elettromagnetico o fotone prodotto quando un assione di piccola massa si trasforma in presenza di un forte campo magnetico.

In alternativa, gli astrofisici hanno proposto di cercare assioni prodotti all’interno delle stelle di neutroni subito dopo un collasso del nucleo, come 1987A.

Fino ad ora, tuttavia, si sono concentrati principalmente sul rilevamento dei raggi gamma dalla lenta trasformazione di questi assioni in fotoni nei campi magnetici delle galassie.

Safdi e i suoi colleghi si sono resi conto che questo processo non è molto efficiente nella produzione di raggi gamma, o almeno non abbastanza per essere rilevato dalla Terra.

Invece, hanno esplorato la produzione di raggi gamma da parte degli assioni nei forti campi magnetici attorno alla stella che ha generato gli assioni.

Questo processo, hanno dimostrato le simulazioni al supercomputer, crea in modo molto efficiente un lampo di raggi gamma che dipende dalla massa dell’assione, e il lampo dovrebbe avvenire contemporaneamente a un lampo di neutrini dall’interno della stella di neutroni caldi.

Quella raffica di assioni, tuttavia, dura solo 10 secondi dopo la formazione della stella di neutroni – dopodiché, il tasso di produzione diminuisce drasticamente – anche se ore prima che gli strati esterni della stella esplodano.

“Questo ci ha portato a pensare alle stelle di neutroni come bersagli ottimali per la ricerca di assioni come laboratori di assioni”, ha detto Safdi.

“Le stelle di neutroni hanno molte cose da offrire. Sono oggetti estremamente caldi. Ospitano anche campi magnetici molto forti. I campi magnetici più forti nel nostro universo si trovano intorno alle stelle di neutroni, come le magnetar, che hanno campi magnetici decine di miliardi di volte più forti di qualsiasi cosa possiamo costruire in laboratorio. Questo aiuta a convertire questi assioni in segnali osservabili”.

Due anni fa, Safdi e i suoi colleghi hanno posto il miglior limite superiore alla massa dell’assione QCD a circa 16 milioni di elettronvolt, o circa 32 volte meno della massa dell’elettrone.

Questo si basava sul tasso di raffreddamento delle stelle di neutroni, che si raffredderebbe più velocemente se gli assioni fossero prodotti insieme ai neutrini all’interno di questi corpi caldi e compatti.

Nel presente articolo, il team dell’UC Berkeley non solo descrive la produzione di raggi gamma in seguito al collasso del nucleo di una stella di neutroni, ma utilizza anche la non rilevazione di raggi gamma dalla supernova 1987A per porre i migliori vincoli sulla massa delle particelle simili agli assioni, che differiscono dagli assioni QCD in quanto non interagiscono tramite la forza forte.

Prevedono che una rilevazione di raggi gamma consentirebbe loro di identificare la massa dell’assione QCD se è superiore a 50 microelettronvolt (micro-eV, o μeV), o circa un 10 miliardesimo della massa dell’elettrone.

Una singola rilevazione potrebbe rifocalizzare gli esperimenti esistenti per confermare la massa dell’assione, ha detto Safdi.

Mentre una flotta di telescopi a raggi gamma dedicati è l’opzione migliore per rilevare i raggi gamma da una supernova vicina, un colpo di fortuna con Fermi sarebbe ancora meglio.

“Lo scenario migliore per gli assioni è che Fermi catturi una supernova. È solo che la possibilità che ciò accada è piccola”, ha detto Safdi.

“Ma se Fermi lo vedesse, saremmo in grado di misurare la sua massa. Saremmo in grado di misurare la sua forza di interazione. Saremmo in grado di determinare tutto ciò che dobbiamo sapere sull’assione e saremmo incredibilmente fiduciosi nel segnale perché non c’è materia ordinaria che potrebbe creare un evento del genere”.

La ricerca è stata sostenuta da fondi del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.