Поляризация света протопланетных дисков укажет на аксионы

Японские физики предложили новый метод поиска аксионов, основанный на колебаниях поляризации протопланетных дисков. Ученые вывели уравнение, которое связывает угол отклонения поляризации, массу аксиона и константу его связи с фотоном, а затем подставили в него значения, отвечающие диску вокруг звезды AB Возничего. В результате исследователям удалось ужесточить ограничение на константу связи для аксионов с массами менее 10⁻²¹ электронвольт. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Несмотря на то, что различные гравитационные эффекты указывают на гипотетическую темную материю, подтвердить ее существование в прямом эксперименте физики до сих пор не смогли. Это порождает многочисленные споры о природе темной материи. Раньше основным кандидатом на роль темной материи выступали вимпы (WIMP) — сверхтяжелые частицы с массой не меньше десяти масс протона, которые взаимодействуют с частицами обычной материи через обмен векторными бозонами (фотоны в таких реакциях не рождаются, поэтому материя выглядит «темной»). Однако из-за отсутствия экспериментальных подтверждений эта гипотеза постепенно стала терять популярность. Более того, теория с вимпами приводит к расхождениям между численными расчетами и наблюдаемой картиной распределения темной материи (проблема острого гало). Некоторые физики отчаялись до такой степени, что попытались объяснить неудачи экспериментов по поиску вимпов новыми короткодействующими силами или вообще отказались от темной материи, заменив ее частицами с отрицательной массой.

Ряд менее радикальных теорий предполагает, что темная материя состоит не из тяжелых, а из сверхлегких аксионоподобных частиц. Впервые аксионы придумали в 1977 году американские физики Роберто Печчеи (Roberto Peccei) и Хелен Квинн (Helen Quinn), которые попытались решить проблему сохранения CP-инвариантности сильных взаимодействий. Подробнее про роль аксионов в решении этой проблемы можно прочитать в статье «Ищут давно, но не могут найти...» или нашей новости. Кроме того, похожие сверхлегкие частицы естественным образом возникают в теории струн. К сожалению, из-за очень слабого взаимодействия аксионов с обычной материей поймать их очень сложно. Дополнительно осложняет задачу широкий диапазон масс гипотетических аксионов, который простирается от 10⁻²⁵ до 10³ электронвольт. Тем не менее, эксперименты по их поиску проводятся.

Основные свойства, на которые полагаются такие эксперименты — это взаимодействие аксионов с фотонами и осцилляция аксионного поля с частотой, пропорциональной его массе (в естественной системе единиц частота и масса просто равны). Эти свойства приводят к двум интересным эффектам. Во-первых, аксионы, помещенные в сильное магнитное поле, превращаются в фотоны. Во-вторых, на фоне осциллирующего аксионного фона плоскость поляризации фотонов поворачивается и лучи света расщепляются. Первый эффект используется в галоскопе — «радио» для темной материи, в котором физики пытаются подобрать резонансную частоту магнитного поля и усилить рождение фотонов. В настоящее время такие установки уже работают. Схема эксперимента, основанного на втором эффекте, была разработана в середине прошлого года группой японских ученых под руководством Юта Митимура (Yuta Michimura), однако воплотить ее в жизнь пока не удалось.

Теперь же японские исследователи во главе с Кендзи Тома (Kenji Toma) предложили косвенный метод детектирования аксионов, основанный на измерении поляризации протопланетных дисков. Протопланетные диски ученые выбрали по ряду причин. Во-первых, большая часть излучения диска возникает из-за рассеяния света центральной звезды на его частицах (поэтому диск кажется яркими на сравнительно больших масштабах). Во-вторых, по той же причине свет протопланетного диска линейно поляризован перпендикулярно его плоскости. Следовательно, если окружающая диск темная материя состоит из аксионов, она будет изменять его поляризацию предсказуемым способом. Наконец, характерный размер протопланетного диска составляет порядка ста астрономических единиц. С одной стороны, это позволяет разрешить диски на расстоянии до ста парсек с помощью наземных телескопов. С другой стороны, даже такой огромный диаметр меньше длины волны де Бройля аксиона — следовательно, поляризация всего диска будет поворачиваться одинаково.

Поэтому физики аналитически вывели уравнение, которое связывает угол поворота поляризации света диска, массу аксионов и их константу связи с фотонами. Затем ученые проанализировали данные группы астрономов под руководством Дзюна Хасимото (Jun Hashimoto), наблюдавших за протопланетным диском звезды AB Возничего. Из этих данных следует, что угол поляризации излучения диска распределен по гауссовой кривой с центром в 90,1±0,2 градуса. Следовательно, отклонение угла поляризации этого излучения за счет взаимодействия с аксионным полем не превышает 0,3 градуса с достоверностью около одного сигма. Впрочем, ученые отмечают, что из-за систематических ошибок точность измерений могла снизиться, поэтому в качестве консервативной верхней оценки они выбрали полуширину гауссового распределения, которая составляет 4,3 градуса. Подставляя это значение в выведенное уравнение, ученые получили связь между константу связи и массой аксионов: g < 5×10⁻¹³m. Для аксионов с массой менее 10⁻²¹ электронвольт жесткость этого ограничения превышает все остальные измерения.

В будущем ученые планируют еще больше увеличить точность нового метода. Помимо очевидного сбора статистики по многим протопланетным дискам, физики замечают, что осцилляции аксионного поля одновременно приводят к осцилляциям угла поляризации, что теоретически позволяет выделить новый эффект и снизить погрешность измерений.

Аксионы были предложены более сорока лет назад, однако до экспериментальных поисков этих частиц физики добрались совсем недавно. Первые результаты удалось получить только в апреле прошлого года, когда детектор ADMX просканировал узкий диапазон масс аксионов и подтвердил, что в этом диапазоне теория Кима — Шифмана — Вайнштейна — Захарова не работает. В марте этого года ученые также опубликовали предварительные результаты работы детектора ABRACADABRA, который проверил другой диапазон масс аксионов и также получил отрицательный результат. Кроме того, в прошлом году теоретики обнаружили еще два эффекта, которые потенциально могут повысить чувствительность детекторов: прецессию спина электрона и искажение энергетических уровней атома водорода, помещенного в аксионное поле. Поэтому отчаиваться пока еще рано.

К настоящему моменту физики-теоретики разработали огромное число непрямых способов детектирования темной материи (помимо гравитационного). В основе всех этих методов лежат тонкие, едва заметные эффекты от взаимодействия темной и обычной материи, которые искажают эволюцию астрономических объектов. В частности, такие эффекты могут разогревать нейтронные звезды, сдвигать параметры карликовых галактик, искажать электромагнитные и гравитационные волны. Кроме того, в некоторых моделях частицы темной материи могут аннигилировать и рождать фотоны, которые можно увидеть в телескоп. К сожалению, обычно такие тонкие эффекты очень слабо проявляются, даже если темная материя существует. Поэтому пока ни один из них пока не подтвердился.

Дмитрий Трунин