Еще на шаг ближе к «теории всего»

С помощью рентгеновской обсерватории Чандра исследователи охотились за гипотетической частицей, выявление которой «могло бы изменить физику навсегда».

Об этом говорится в пресс-релизе Кембриджского университета, Великобритания.

Одной из наибольших идей в физике является то, что все известные силы, частицы и взаимодействия могут быть объединены в одно целое. Теория струн – это, пожалуй, самое известное предложение "теории всего", которая связала бы вместе наше понимание физической вселенной.

Несмотря на то, что в течение десятилетий в физическом сообществе циркулировало много различных версий теории струн, экспериментальных тестов было очень мало. Однако астрономы, использующие рентгеновскую обсерваторию НАСА Чандра, сделали значительный шаг вперед в этой области.

Ища через галактические кластеры, крупные структуры во Вселенной, удерживающиеся вместе гравитацией, исследователи могли поймать специфическую частицу, существование которой предполагается многими моделями теории струн. Хотя результирующее невыявление не исключает теорию струн в целом, оно наносит удар определенным моделям в пределах этой группы идей.

"До недавнего времени я просто понятия не имел о том, сколько рентгеновские астрономы приносят на стол, когда речь идет о теории струн, но мы могли бы сыграть важную роль", - сказал Кристофер Рейнольдс из Кембриджского университета, который руководил исследованием. "Если эти частицы будут обнаружены в конце концов, это навсегда изменит физику".

Частица, которую искали Рейнольдс и его коллеги, называется "аксион". Эти пока не обнаруженные частицы должны иметь чрезвычайно низкие массы. Ученые не знают точного диапазона масс, но во многих теориях представлены массы аксиона, составляющие примерно от миллионной массы электрона до нулевой массы. Некоторые ученые считают, что аксионы могли бы объяснить тайну темной материи, на которую приходится подавляющее большинство материи во Вселенной.

Одной из необычных свойств этих частиц с ультранизкой массой является то, что они иногда могут превращаться в фотоны (то есть в лучи света), проходя через магнитные поля. И обратное может быть верным: при определенных условиях фотоны также могут быть преобразованы в аксионы. То, как часто происходит это переключение, зависит от того, насколько легко они осуществляют это превращение, то есть, от их "конвертируемость".

Некоторые ученые предложили существование более широкого класса частиц сверхмалой массы, имеющих схожие свойства с аксионами. Аксионы имели бы одно значение конвертируемости при любой массе, но "аксионо-образные частицы" имели бы диапазон конвертируемости при одной массе.

"Хотя может показаться, что тяжело искать крошечные частицы, такие как аксионы, в гигантских структурах, таких как скопления галактик, на самом деле это прекрасное место для поиска", - сказал соавтор Дэвид Марш из Стокгольмского университета в Швеции. "Кластеры галактик имеют магнитные поля на гигантских расстояниях. Они также часто содержат яркие источники рентгеновских лучей. Вместе эти свойства повышают шансы на обнаружение конверсии аксионо-подобных частиц".

Для поиска признаков преобразования аксионо-подобных частиц, команда астрономов в течение пяти дней проверяла наблюдения Чандры за рентгеновскими лучами от материала, падающего в направлении сверхмассивной черной дыры в центре галактического кластера Персея. Они изучали спектр Чандры этого источника, или количество рентгеновского излучения, которое наблюдается при различных энергиях. Длительное наблюдение и яркий рентгеновский источник давали спектр с достаточной чувствительностью, чтобы показать искажения, которые ученые ожидали увидеть при наличии аксоно-подобных частиц.

Отсутствие выявления таких искажений позволило исследователям исключить наличие большинства типов аксионо-подобных частиц в диапазоне масс, к которым их наблюдения были чувствительны, ниже примерно миллионной части миллиардной массы электрона.

"Наше исследование не исключает существования этих частиц, но это, безусловно, не помогает в их случае", - сказала соавтор Хелен Рассел из Университета Ноттингема в Великобритании. "Эти ограничения вкапываются в диапазон свойств, предлагаемых теорией струн, и могут помочь теоретикам струн откорректировать их теории".

Последний результат оказался примерно в три-четыре раза более чувствительным, чем предыдущий наилучший поиск аксионо-подобных частиц, который появился благодаря наблюдениям Чандры за сверхмассивной черной дырой в M87. Также, это исследование Персея примерно в сто раз мощнее, чем текущие измерения, которые можно осуществить в лабораториях здесь, на Земле, для диапазона масс, которые они рассмотрели.

Очевидно, одна из возможных интерпретаций этой работы заключается в том, что аксионо-образные частицы не существуют. Другое объяснение состоит в том, что частицы имеют более низкие значения конвертируемости, чем предел обнаружения в этом наблюдении, и ниже, чем ожидали некоторые физики частиц. Они также могли иметь массу больше, чем исследуемые по данным Чандры.

Статья, описывающая эти результаты, появилась в выпуске "The Astrophysical Journal".

Программой "Чандра" управляет Центр космических полетов НАСА Маршалла. Рентгеновский центр Чандры Смитсоновской астрофизической обсерватории контролирует научные и летные операции из Кембриджа и Берлингтона в штате Массачусетс.

Читайте еще интересные новости о космосе.