Het ongrijpbare axiondeeltje is vele malen lichter dan een elektron, met eigenschappen die op gewone materie nauwelijks indruk maken. Als zodanig, het spookachtige deeltje is een belangrijke mededinger als onderdeel van donkere materie - een hypothetisch, onzichtbare soort materie waarvan wordt gedacht dat het 85 procent van de massa in het universum uitmaakt.

Axions zijn tot nu toe aan detectie ontsnapt. Natuurkundigen voorspellen dat als ze bestaan, ze moeten worden geproduceerd in extreme omgevingen, zoals de kernen van sterren aan de afgrond van een supernova. Wanneer deze sterren axions het heelal in spuwen, de deeltjes, bij het tegenkomen van omringende magnetische velden, zouden kort moeten veranderen in fotonen en zichzelf mogelijk openbaren.

Nutsvoorzieningen, Natuurkundigen van het MIT hebben gezocht naar axionen in Betelgeuze, een nabije ster die naar verwachting binnenkort zal uitbranden als een supernova, tenminste op astrofysische tijdschalen. Gezien zijn naderende ondergang, Betelgeuze zou een natuurlijke fabriek van axions moeten zijn, constant de deeltjes uitstoten terwijl de ster wegbrandt.

Echter, toen het team zocht naar verwachte handtekeningen van axions, in de vorm van fotonen in de röntgenband, hun zoektocht kwam leeg. Hun resultaten sluiten het bestaan ​​uit van ultralichte axionen die kunnen interageren met fotonen over een breed scala aan energieën. De bevindingen stellen nieuwe beperkingen aan de eigenschappen van het deeltje die drie keer sterker zijn dan alle eerdere laboratoriumgebaseerde axion-detecterende experimenten.

"Wat onze resultaten zeggen is, als je deze echt lichte deeltjes wilt zoeken, waar we naar zochten, ze gaan niet veel met fotonen praten, " zegt Kerstin Perez, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "We maken het leven van iedereen eigenlijk moeilijker omdat we zeggen:'Je zult iets anders moeten bedenken dat je een axion-signaal zou geven.'"

Perez en haar collega's hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Haar co-auteurs van het MIT zijn onder meer hoofdauteur Mengjiao Xiao, Brandon Roach, en Melaina Nynka, samen met Maurizio Giannotti van Barry University, Oscar Straniero van het Astronomisch Observatorium van Abruzzo, Alessandro Mirizzi van het Nationaal Instituut voor Kernfysica in Italië, en Brian Grefenstette van Caltech.

Een jacht op koppeling

Veel van de huidige experimenten die naar axionen zoeken, zijn ontworpen om ze te zoeken als een product van het Primakoff-effect, een proces dat een theoretische "koppeling" tussen axionen en fotonen beschrijft. Van axionen wordt normaal gesproken niet gedacht dat ze interageren met fotonen, vandaar dat ze waarschijnlijk donkere materie zijn. Echter, het Primakoff-effect voorspelt dat, wanneer fotonen worden blootgesteld aan intense magnetische velden, zoals in stellaire kernen, ze zouden kunnen veranderen in axions. Het centrum van veel sterren zouden daarom natuurlijke axionfabrieken moeten zijn.

Wanneer een ster explodeert in een supernova, het zou de axions het universum in moeten leiden. Als de onzichtbare deeltjes in een magnetisch veld komen, bijvoorbeeld tussen de ster en de aarde, ze zouden weer in fotonen moeten veranderen, vermoedelijk met enige detecteerbare energie. Wetenschappers jagen door dit proces naar axions, bijvoorbeeld van onze eigen zon.

"Maar de zon heeft ook zonnevlammen en zendt voortdurend röntgenstralen uit, en het is moeilijk te begrijpen, " zegt Perez. Zij en haar collega's zochten in plaats daarvan naar axions van Betelgeuze, een ster die normaal geen röntgenstraling uitzendt. De ster is een van de sterren die het dichtst bij de aarde staan ​​en naar verwachting binnenkort zullen exploderen.

"Betelgeuze bevindt zich op een temperatuur en levensfase waarin je niet verwacht dat er röntgenstralen uitkomen, door standaard stellaire astrofysica, Perez legt uit. "Maar als er axions bestaan, en komen naar buiten, we kunnen een röntgensignatuur zien. Daarom is deze ster een mooi object:als je röntgenstralen ziet, het is een rokend pistoolsignaal dat het axions moet zijn."

'Gegevens zijn gegevens'

De onderzoekers zochten naar röntgensignaturen van axionen van Betelgeuze, met behulp van gegevens die zijn verzameld door NuSTAR, NASA's ruimtetelescoop die hoogenergetische röntgenstralen van astrofysische bronnen focust. Het team kreeg 50 kiloseconden aan gegevens van NuSTAR gedurende de tijd dat de telescoop op Betelgeuze werd getraind.

De onderzoekers modelleerden vervolgens een reeks röntgenstraling die ze zouden kunnen zien van Betelgeuze als de ster axionen uitspuwde. Ze beschouwden een reeks massa's die een axion zou kunnen zijn, evenals een reeks waarschijnlijkheden dat de axionen zouden "koppelen" aan en opnieuw zouden worden omgezet in een foton, afhankelijk van de magnetische veldsterkte tussen de ster en de aarde.

"Van al dat modellenwerk, je krijgt een bereik van hoe je röntgensignaal van axions er mogelijk uit zou kunnen zien, ' zegt Perez.

Toen ze naar deze signalen zochten in de gegevens van NuSTAR, echter, ze vonden niets boven hun verwachte achtergrond of buiten de gewone astrofysische bronnen van röntgenstraling.

"Betelgeuze bevindt zich waarschijnlijk in de late stadia van evolutie en zou in dat geval een grote kans moeten hebben om in axions te veranderen, ', zegt Xiao. 'Maar data zijn data.'

Gezien het scala aan omstandigheden dat ze overwogen, het nulresultaat van het team sluit een groot aantal mogelijkheden uit en stelt een bovengrens in die drie keer sterker is dan eerdere limieten, van op laboratorium gebaseerde zoekopdrachten, voor wat een axion moet zijn. In essentie, dit betekent dat als axionen ultralicht in massa zijn, de resultaten van het team laten zien dat de deeltjes minstens drie keer minder kans moeten hebben om aan fotonen te koppelen en detecteerbare röntgenstralen uit te zenden.

"Als axions ultralichte massa's hebben, we kunnen je zeker vertellen dat hun koppeling erg klein moet zijn, anders hadden we het gezien, ' zegt Perez.

uiteindelijk, dit betekent dat wetenschappers wellicht naar andere, minder detecteerbare energiebanden voor axionsignalen. Echter, Perez zegt dat de zoektocht naar axions van Betelgeuze nog niet voorbij is.

"Wat spannend zou zijn als we een supernova zien, die een enorme hoeveelheid axionen zou ontsteken die niet in röntgenstralen zouden zijn, maar in gammastraling, "zegt Perez. "Als een ster explodeert en we zien geen axions, dan krijgen we echt strenge beperkingen op de koppeling van een axion aan fotonen. Dus iedereen duimt voor Betelgeuze om af te gaan."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.