Солнечные аксионы не могут объяснить избыток событий на детекторе XENON1T

В течение нескольких десятилетий физики и астрофизики строили теории о существовании темной материи во Вселенной. Этот неуловимый тип материи должен видимо состоять из частиц, которые не поглощают, не отражают и не излучают свет, и, следовательно, не могут быть обнаружены с помощью обычных инструментов для наблюдения за частицами.

Одним из наиболее многообещающих кандидатов на темную материю является аксион. Аксионы — это гипотетические частицы, которые были впервые введены для объяснения необычных наблюдений, связанных с сильными ядерными взаимодействиями.

Впоследствии физики-теоретики предположили, что аксионы составляют части массы Вселенной, которая до сих пор не учтена и, таким образом, могут быть, по сути, темной материей. С тех пор бесчисленное количество команд ученых по всему миру проводили поиск аксионов, используя множество мощных и сложных детекторов.

Несколько месяцев назад международная исследовательская группа, известная как XENON Collaboration, обнародовала новые данные, собранные XENON1T, чувствительным детектором взаимодействия между темной материей и обычными частицами. Эти данные содержат удивительный избыток событий, которые могут быть намеком на существование никогда ранее не наблюдавшихся частиц, таких как солнечные аксионы.

Исследователи из Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Университета Барселоны, Университета Барри и Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) недавно изучили данные, собранные детектором XENON1T, в надежде лучше понять, может ли обнаруженный избыток на самом деле быть проявление солнечных аксионов. Результаты их анализа, опубликованные в Physical Review Letters, похоже, исключают возможность того, что солнечные аксионы стоят за неожиданными наблюдениями XENON Collaboration.

В своей недавней статье ученые показывают, что гипотеза солнечных аксионов как избытка XENON1T не верна, поскольку противоречит предыдущим астрофизическим наблюдениям. Они надеются, что, исключив такую ​​возможность, их работа побудит другие команды найти и изучить альтернативные объяснения. По мнению исследователей, превышение вероятности может быть либо результатом нерешенной проблемы с экспериментальной установкой, либо указанием на другое экзотическое физическое явление.

«Солнечные аксионы не могут объяснить аномальное наблюдение XENON1T просто потому, что по сравнению с другими типами звезд, которые характеризуются гораздо большей плотностью ядра и температурой, Солнце не очень эффективно производит аксионы», — пояснили исследователи. «Если бы наблюдаемый избыток интерпретировался как следствие солнечных аксионов, тогда другие типы звезд могли бы чрезмерно производить аксионы, они бы сияли как интенсивные «аксионные маяки», теряя энергию из своих внутренних ядер с такой большой скоростью, что их эволюция была бы радикально изменена. Это будет в серьезном противоречии со многими прошлыми астрономическими наблюдениями».

В настоящее время команда проводит дальнейшие исследования физики аксионов. Эти исследования сосредоточены на широком круге тем, включая космологические и астрофизические последствия аксионов, построение аксионных моделей и феноменологические аспекты поисков аксионов, проводимых как в лабораторных, так и в наземных экспериментах.

«Каждый участник нашего сотрудничества имеет определенные навыки в различных аспектах физики аксионов», — сказали исследователи. «В рамках сотрудничества мы в настоящее время проводим тщательный анализ большого количества астрофизических наблюдаемых, некоторые из которых демонстрируют интригующие расхождения между теоретическими предсказаниями и наблюдениями. Хотя, если брать их по отдельности, уровень значимости каждой аномалии пока умеренный, глобальный анализ может выявить непротиворечивую закономерность и указать на объяснение в терминах некоего специфического типа аксиона».

Luca Di Luzio et al. Solar Axions Cannot Explain the XENON1T Excess, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.131804