Ще на крок ближче до «теорії всього»

За допомогою рентгенівської обсерваторії Чандра дослідники полювали за гіпотетичною частинкою, виявлення якої «могло б змінити фізику назавжди».

Про це розповідається в прес-релізі Кембриджського університету, Великобританія.

Однією з найбільших ідей у фізиці є те, що всі відомі сили, частинки та взаємодії можуть бути поєднані в одне ціле. Теорія струн – це, мабуть, найвідоміша пропозиція "теорії всього", яка пов’язала б разом наше розуміння фізичного всесвіту.

Незважаючи на те, що протягом десятиліть у фізичному співтоваристві циркулювало багато різних версій теорії струн, експериментальних тестів було дуже мало. Однак астрономи, які використовують рентгенівську обсерваторію НАСА Чандра, зробили значний крок вперед у цій галузі.

Шукаючи крізь галактичні кластери, найбільші структури у Всесвіті, що утримуються разом гравітацією, дослідники могли вполювати специфічну частинку, існування якої передбачається багатьма моделями теорії струн. Хоча результуюче невиявлення не виключає теорію струн в цілому, воно завдає удар певним моделям у межах цієї групи ідей.

"До недавнього часу я просто уявлення не мав про те, скільки рентгенівські астрономи приносять на стіл, коли йдеться про теорію струн, але ми могли б зіграти важливу роль", - сказав Крістофер Рейнольдс з Кембриджського університету, який керував дослідженням. "Якщо ці частинки будуть виявлені врешті-решт, це назавжди змінить фізику ".

Частинка, яку шукали Рейнольдс та його колеги, називається "аксіоном". Ці поки що не виявлені частинки повинні мати надзвичайно низькі маси. Вчені не знають точного діапазону мас, але в багатьох теоріях представлені маси аксіонів, що становлять приблизно від мільйонної маси електрона до нульової маси. Деякі вчені вважають, що аксіони могли б пояснити таємницю темної матерії, на яку припадає переважна більшість матерії у Всесвіті.

Однією з незвичайних властивостей цих частинок з ультра-низькою масою є те, що вони іноді можуть перетворюватися у фотони (тобто в промені світла), проходячи через магнітні поля. І зворотне може бути вірним: за певних умов фотони також можуть бути перетворені в аксіони. Те, як часто відбувається це перемикання, залежить від того, наскільки легко вони здійснюють це перетворення, іншими словами, від їх "конвертованості".

Деякі вчені запропонували існування більш широкого класу частинок надмалої маси, що мають схожі властивості з аксіонами. Аксіони мали б одне значення конвертованості при будь-якій масі, але "аксіоно-подібні частинки" мали б діапазон конвертованості при одній масі.

"Хоча може здатися, що тяжко шукати крихітні частинки, такі як аксіони, в гігантських структурах, таких як скупчення галактик, насправді це чудове місце для пошуку", - сказав співавтор Девід Марш зі Стокгольмського університету у Швеції. "Кластери галактик мають магнітні поля на гігантських відстанях. Вони також часто містять яскраві джерела рентгенівських променів. Разом ці властивості підвищують шанси на виявлення конверсії аксіоно-подібних частинок".

Для пошуку ознак перетворення аксіоно-подібних частинок, команда астрономів протягом п'яти днів перевіряла спостереження Чандри за рентгенівськими променями від матеріалу, що падає в напрямку надмасивної чорної діри в центрі галактичного кластеру Персея. Вони вивчали спектр Чандри цього джерела, або кількість рентгенівського випромінювання, що спостерігається при різних енергіях. Тривале спостереження та яскраве рентгенівське джерело давали спектр з достатньою чутливістю, щоб показати спотворення, які вчені очікували побачити за наявності аксіоно-подібних частинок.

Відсутність виявлення таких викривлень дозволила дослідникам виключити наявність більшості типів аксіоно-подібних частинок у діапазоні мас, до яких їх спостереження були чутливі, нижче приблизно мільйонної частини мільярдної маси електрона.

"Наше дослідження не виключає існування цих частинок, але це, безумовно, не допомагає у їх випадку", - сказала співавтор Хелен Рассел з Університету Ноттінгема у Великобританії. "Ці обмеження вкопуються в діапазон властивостей, запропонованих теорією струн, і можуть допомогти теоретикам струн відкоригувати їх теорії".

Останній результат виявився приблизно в три-чотири рази більш чутливим, ніж попередній найкращий пошук аксіоно-подібних частинок, що з'явився завдяки спостереженням Чандри за надмасивною чорною дірою в M87. Також, це дослідження Персея приблизно в сто разів потужніше, ніж поточні вимірювання, які можна здійснити в лабораторіях тут, на Землі, для діапазону мас, які вони розглянули.

Очевидно, одна з можливих інтерпретацій цієї роботи полягає в тому, що аксіоно-подібні частинки не існують. Інше пояснення полягає в тому, що частинки мають більш низькі значення конвертованості, ніж межа виявлення у цьому спостереженні, і нижчі, ніж очікували деякі фізики частинок. Вони також могли мати масу більшу, ніж досліджувані з даних Чандри.

Стаття, що описує ці результати, з'явилася у випуску " The Astrophysical Journal".

Програмою "Чандра" управляє Центр космічних польотів НАСА Маршалла.  Рентгенівський центр Чандри Смітсонівської астрофізичної обсерваторії контролює наукові та льотні операції з Кембриджу та Берлінгтона в штаті Массачусетс.

Читайте ще цікаві новини про космос.