W fizyce od dziesięcioleci istnieje wiele różnych wersji teorii strun, ale trudno przeprowadzić eksperymenty testujące te hipotezy. Astronomowie korzystający z należącego do NASA kosmicznego obserwatorium Chandra X-ray Observatory postanowili sprawdzić, czy istnieją pewne hipotetyczne cząstki przewidywane przez fizyczne teorie takie jak teoria strun.

„Dotąd nie zdawałem sobie sprawy jak bardzo astronomia rentgenowska może być przydatna, jeśli chodzi o teorię strun. Okazuje się, że może odgrywać ważną rolę. Jeśli takie cząstki uda się wykryć, zmieni to fizykę na zawsze” powiedział Christopher Reynolds z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii, który kieruje badaniami (https://arxiv.org/abs/1907.05475 ).

Naukowcy z grupy kierowanej przez Reynoldsa poszukiwali aksjonów. Są to hipotetyczne cząstki, do tej pory nie wykryte, które powinny mieć niezwykle małą masę. Fizycy nie znają dokładnego przedziału masy, ale wiele z teorii wskazuje, że powinna wynosić od jednej milionowej masy elektronu do zera. Niektórzy przypuszczają, że aksjony mogłyby nawet wyjaśnić zagadkę ciemnej materii. Możliwość istnienia aksjonów po raz pierwszy zaproponowano w teorii Peccei-Quinn w 1977 roku, z kolei nazwę dla nich wymyślił Frank Wilczek – amerykański fizyk pochodzenia polsko-włoskiego.

Jedną z nietypowych cech tego typu ultramałomasywnych cząstek byłaby możliwość przekształcania się czasem w fotony, podczas przechodzenia przez pole magnetyczne. W pewnych warunkach również fotony mogłyby przekształcać się w aksjony. Nie wiadomo, jak często mogłoby to się zdarzać.

Część naukowców proponuje istnienie szerszej klasy cząstek o niezwykle małych masach. Aksjony miałyby jakiś poziom „konwertowalności” dla danej masy, natomiast inne cząstki z tej klasy dawałyby dla takiej masy szerszy możliwy przedział konwertowalności.

„Poszukiwanie niewielkich cząstek w gigantycznych strukturach, takich jak gromady galaktyk, może się to wydawać szukaniem igły w stogu siana, ale są to bardzo dobre miejsca do takich łowów” - komentuje David Marsh z Uniwersytetu Sztokholmskiego w Szwecji, jeden z autorów badań.

Jak tłumaczy naukowiec, gromady galaktyk zawierają pole magnetyczne rozciągnięte na wielkich odległościach, a często także jasne źródła promieniowania rentgenowskiego. Połączenie tych cech zwiększa szanse, że konwersja cząstek takich jak aksjony byłaby wykrywalna.

Aby spróbować takiego podejścia, badacze przeanalizowali pięciodniowe obserwacje rentgenowskie materii spadającej na supermasywną czarną dziurę w centrum gromady galaktyk w Perseuszu. Analizowano jak rozkłada się promieniowanie rentgenowskie dla różnych energii. Dzięki długim obserwacjom i jasnemu źródłu rentgenowskiemu uzyskano widmo o czułości umożliwiającej dostrzeżenie zaburzeń spodziewanych od cząstek podobnych do aksjonów, jeśli takie by występowały.

Niestety nie wykryto poszukiwanych oznak istnienia aksjonów. Możliwe zatem, że nie istnieją. Jednak uzyskany wynik nie neguje całkowicie możliwości ich występowania, ale pozwala na wykluczenie istnienia cząstek z zakresu mas, na który czułe były obserwacje, czyli poniżej 0,000 000 000 000 001 masy elektronu. Są też jeszcze inne możliwości: cząstki te mają większe masy niż zbadany zakres, albo niższy stopień konwertowalności niż limity obserwacyjne (oraz niższy niż spodziewany przez część teorii). Uzyskany wynik może być pomocny w dalszych pracach nad teoriami dotyczącymi aksjonów.

Opisane badania są około trzy do czterech razy bardziej czułe niż dotychczasowe próby poszukiwania cząstek podobnych do aksjonów, które były oparte na obserwacjach supermasywnej czarnej dziury w M87 (również dokonanych przy pomocy obserwatorium Chandra). Dla badanego zakresu mas badania te są około sto razy bardziej czułe niż najlepsze pomiary wykonywane w laboratoriach na Ziemi.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Astrophysical Journal”.(PAP)

cza/ agt/