Een nieuwe studie, geleid door een theoretisch fysicus van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy, suggereert dat nooit eerder waargenomen deeltjes, axions genaamd, de bron kunnen zijn van onverklaarde, hoogenergetische röntgenstraling rond een groep neutronensterren.

Voor het eerst getheoretiseerd in de jaren zeventig als onderdeel van een oplossing voor een fundamenteel deeltjesfysica-probleem, axionen zullen naar verwachting worden geproduceerd in de kern van sterren, en om te zetten in lichtdeeltjes, fotonen genoemd, in aanwezigheid van een magnetisch veld.

Axions kunnen ook donkere materie vormen - het mysterieuze spul dat naar schatting 85 procent van de totale massa van het universum uitmaakt, toch hebben we tot nu toe alleen de zwaartekrachtseffecten ervan op gewone materie gezien. Zelfs als de overmaat aan röntgenstraling geen axionen of donkere materie blijkt te zijn, het zou nog steeds nieuwe fysica kunnen onthullen.

Een verzameling neutronensterren, bekend als de Magnificent 7, leverde een uitstekend testbed voor de mogelijke aanwezigheid van axionen, aangezien deze sterren krachtige magnetische velden bezitten, zijn relatief dichtbij - binnen honderden lichtjaren - en er werd alleen verwacht dat ze laagenergetische röntgenstralen en ultraviolet licht zouden produceren.

"Ze staan ​​bekend als erg saai, '" en in dit geval is het een goede zaak, zei Benjamin Safdi, een Divisional Fellow in de Berkeley Lab Physics Division theoriegroep die een studie leidde, gepubliceerd op 12 januari in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , detaillering van de axion-verklaring voor het eigen risico.

Christoffel Dessert, een filiaal van de Berkeley Lab Physics Division, een grote bijdrage geleverd aan het onderzoek, waaraan ook onderzoekers van UC Berkeley deelnamen, de Universiteit van Michigan, Princeton Universiteit, en de Universiteit van Minnesota.

Als de neutronensterren van een type waren dat bekend staat als pulsars, ze zouden een actief oppervlak hebben dat straling afgeeft op verschillende golflengten. Deze straling zou over het elektromagnetische spectrum verschijnen, Safdi merkte op, en kon deze röntgensignatuur die de onderzoekers hadden gevonden, overstemmen, of radiofrequentiesignalen zou produceren. Maar de Magnificent 7 zijn geen pulsars, en een dergelijk radiosignaal werd niet gedetecteerd. Andere veel voorkomende astrofysische verklaringen lijken ook niet op te gaan tegen de waarnemingen, zei Safdi.

Als de overmaat aan röntgenstraling die rond de Magnificent 7 wordt gedetecteerd, wordt gegenereerd door een object of objecten die zich achter de neutronensterren verbergen, dat zou waarschijnlijk zijn opgedoken in de datasets die onderzoekers gebruiken van twee ruimtesatellieten:de XMM-Newton van de European Space Agency en de Chandra-röntgentelescopen van NASA.

Safdi en medewerkers zeggen dat het nog steeds goed mogelijk is dat een nieuwe, non-axion verklaring ontstaat om rekening te houden met de waargenomen overmaat aan röntgenstraling, hoewel ze hoopvol blijven dat een dergelijke verklaring buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica zal liggen, en dat nieuwe grond- en ruimteexperimenten de oorsprong van het hoogenergetische röntgensignaal zullen bevestigen.

"We zijn er vrij zeker van dat dit overschot bestaat, en ik heb er alle vertrouwen in dat er iets nieuws is tussen deze overdaad, "Safdi zei. "Als we 100% zeker zouden zijn dat wat we zien een nieuw deeltje is, dat zou enorm zijn. Dat zou revolutionair zijn in de natuurkunde." Ook al blijkt de ontdekking niet geassocieerd te zijn met een nieuw deeltje of donkere materie, hij zei, "Het zou ons zoveel meer vertellen over ons universum, en er zou veel te leren zijn."

Raymond Co, een postdoctoraal onderzoeker van de Universiteit van Minnesota die meewerkte aan het onderzoek, zei, "We beweren niet dat we de ontdekking van het axion al hebben gedaan, maar we zeggen dat de extra röntgenfotonen verklaard kunnen worden door axionen. Het is een opwindende ontdekking van de overmaat in de röntgenfotonen, en het is een opwindende mogelijkheid die al consistent is met onze interpretatie van axions."

Als axions bestaan, van hen zou worden verwacht dat ze zich net als neutrino's in een ster gedragen, aangezien beide een zeer geringe massa zouden hebben en slechts zeer zelden en zwak met andere materie zouden interageren. Ze zouden in overvloed in het binnenste van sterren kunnen worden geproduceerd. Ongeladen deeltjes, neutronen genaamd, bewegen rond in neutronensterren, af en toe interactie door van elkaar te verstrooien en een neutrino of mogelijk een axion vrij te geven. Het neutrino-emitterende proces is de dominante manier waarop neutronensterren na verloop van tijd afkoelen.

Zoals neutrino's, de axions zouden buiten de ster kunnen reizen. Het ongelooflijk sterke magnetische veld rond de Magnificent 7 sterren - miljarden keren sterker dan magnetische velden die op aarde kunnen worden geproduceerd - zou ervoor kunnen zorgen dat uittredende axionen worden omgezet in licht.

Neutronensterren zijn ongelooflijk exotische objecten, en Safdi merkte op dat veel modellenwerk, data-analyse, en theoretisch werk ging in de laatste studie. Onderzoekers hebben in het nieuwste werk intensief gebruik gemaakt van een bank van supercomputers die bekend staat als de Lawrencium Cluster in Berkeley Lab.

Een deel van dit werk was uitgevoerd aan de Universiteit van Michigan, waar Safdi eerder werkte. "Zonder het krachtige supercomputerwerk in Michigan en Berkeley, niets van dit alles zou mogelijk zijn geweest, " hij zei.

"Er komt veel dataverwerking en data-analyse bij kijken. Je moet het interieur van een neutronenster modelleren om te voorspellen hoeveel axionen er in die ster moeten worden geproduceerd."

Safdi merkte op dat als volgende stap in dit onderzoek, witte dwergsterren zouden een uitstekende plek zijn om naar axionen te zoeken omdat ze ook zeer sterke magnetische velden hebben, en zullen naar verwachting "röntgenvrije omgevingen" zijn.

"Dit begint behoorlijk overtuigend te worden dat dit iets is dat verder gaat dan het standaardmodel als we daar een overmaat aan röntgenstraling zien, te, " hij zei.

Onderzoekers kunnen ook een andere röntgenruimtetelescoop inschakelen, genaamd NuStar, om het mysterie van de overmaat aan röntgenstraling op te lossen.

Safdi zei dat hij ook enthousiast is over grondexperimenten zoals CAST bij CERN, die werkt als een zonnetelescoop om axions te detecteren die door een sterke magneet worden omgezet in röntgenstralen, en ALPS II in Duitsland, die een krachtig magnetisch veld zou gebruiken om axions te laten transformeren in lichtdeeltjes aan de ene kant van een barrière wanneer laserlicht de andere kant van de barrière raakt.

Axions hebben meer aandacht gekregen omdat een opeenvolging van experimenten geen tekenen van de WIMP (zwak interagerend massief deeltje) heeft opgeleverd, nog een veelbelovende kandidaat voor donkere materie. En het axion-beeld is niet zo eenvoudig - het zou eigenlijk een familiealbum kunnen zijn.

Er kunnen honderden axion-achtige deeltjes zijn, of ALP's, waaruit donkere materie bestaat, en de snaartheorie - een kandidaat-theorie voor het beschrijven van de krachten van het universum - houdt het mogelijke bestaan ​​van vele soorten ALP's open.