Des chercheurs disent qu’ils ont peut-être trouvé des preuves d’axions théorisés, et peut-être de matière noire, autour d’un groupe d’étoiles à neutrons –

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  • Une nouvelle étude, dirigée par un physicien théoricien du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l’énergie, suggère que des particules jamais observées auparavant appelées axions peuvent être la source d’émissions de rayons X inexpliquées à haute énergie entourant un groupe d’étoiles à neutrons.

    Théorisés pour la première fois dans les années 1970 dans le cadre d’une solution à un problème fondamental de physique des particules, les axions devraient être produits au cœur des étoiles et se convertir en particules de lumière, appelées photons, en présence d’un champ magnétique.

    Les axions peuvent également constituer de la matière noire – l’étoffe mystérieuse qui représente environ 85% de la masse totale de l’univers, mais nous n’avons jusqu’à présent vu ses effets gravitationnels que sur la matière ordinaire. Même si l’excès de rayons X s’avère ne pas être des axions ou de la matière noire, il pourrait encore révéler une nouvelle physique.

    Une collection d’étoiles à neutrons, connue sous le nom de Magnificent 7, a fourni un excellent banc d’essai pour la présence possible d’axions, car ces étoiles possèdent de puissants champs magnétiques, sont relativement proches – à quelques centaines d’années-lumière – et ne devaient produisent des rayons X à faible énergie et de la lumière ultraviolette.

    “Ils sont connus pour être très” ennuyeux “”, et dans ce cas, c’est une bonne chose, a déclaré Benjamin Safdi, membre de la division du groupe théorique de la division de physique de Berkeley Lab qui a mené une étude, publiée le 12 janvier dans la revue. Lettres d’examen physique, détaillant l’explication axiale de l’excès.

    Christopher Dessert, affilié à la division de physique du laboratoire de Berkeley, a largement contribué à l’étude, qui a également eu la participation de chercheurs de l’UC Berkeley, de l’Université du Michigan, de l’Université de Princeton et de l’Université du Minnesota.

    Si les étoiles à neutrons étaient d’un type connu sous le nom de pulsars, elles auraient une surface active émettant un rayonnement à différentes longueurs d’onde. Ce rayonnement apparaîtrait à travers le spectre électromagnétique, a noté Safdi, et pourrait noyer cette signature de rayons X que les chercheurs avaient trouvée, ou produirait des signaux radiofréquences. Mais les Magnificent 7 ne sont pas des pulsars et aucun signal radio n’a été détecté. D’autres explications astrophysiques courantes ne semblent pas non plus tenir aux observations, a déclaré Safdi.

    Si l’excès de rayons X détecté autour du Magnificent 7 est généré à partir d’un ou de plusieurs objets cachés derrière les étoiles à neutrons, cela se serait probablement manifesté dans les ensembles de données que les chercheurs utilisent à partir de deux satellites spatiaux: le XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne. et les télescopes à rayons X Chandra de la NASA.

    Safdi et ses collaborateurs disent qu’il est encore tout à fait possible qu’une nouvelle explication non axiale se produise pour expliquer l’excès de rayons X observé, bien qu’ils gardent l’espoir qu’une telle explication se situera en dehors du modèle standard de la physique des particules, et de ce nouveau terrain. – et des expériences spatiales confirmeront l’origine du signal de rayons X à haute énergie.

    “Nous sommes assez confiants que cet excès existe, et très confiants qu’il y a quelque chose de nouveau dans cet excès”, a déclaré Safdi. “Si nous étions sûrs à 100% que ce que nous voyons est une nouvelle particule, ce serait énorme. Ce serait révolutionnaire en physique.” Même si la découverte s’avère ne pas être associée à une nouvelle particule ou à de la matière noire, il a dit: “Cela nous en dirait tellement plus sur notre univers, et il y aurait beaucoup à apprendre.”

    Raymond Co, un chercheur postdoctoral de l’Université du Minnesota qui a collaboré à l’étude, a déclaré: “Nous ne prétendons pas que nous avons encore fait la découverte de l’axion, mais nous disons que les photons de rayons X supplémentaires peuvent être expliqués. C’est une découverte passionnante de l’excès des photons X, et c’est une possibilité passionnante qui est déjà cohérente avec notre interprétation des axions. “

    Si les axions existent, on s’attend à ce qu’ils se comportent un peu comme les neutrinos d’une étoile, car les deux auraient de très légères masses et n’interagiraient que très rarement et faiblement avec d’autres matières. Ils pourraient être produits en abondance à l’intérieur des étoiles. Les particules non chargées appelées neutrons se déplacent dans les étoiles à neutrons, interagissant occasionnellement en se diffusant les unes sur les autres et en libérant un neutrino ou éventuellement un axion. Le processus d’émission de neutrinos est la principale façon dont les étoiles à neutrons se refroidissent au fil du temps.

    Comme les neutrinos, les axions pourraient voyager à l’extérieur de l’étoile. Le champ magnétique incroyablement puissant entourant les magnifiques 7 étoiles – des milliards de fois plus puissants que les champs magnétiques pouvant être produits sur Terre – pourrait entraîner la conversion des axions sortants en lumière.

    Les étoiles à neutrons sont des objets incroyablement exotiques, et Safdi a noté que beaucoup de modélisation, d’analyse de données et de travaux théoriques ont été consacrés à la dernière étude. Les chercheurs ont largement utilisé une banque de superordinateurs connue sous le nom de Lawrencium Cluster à Berkeley Lab dans les derniers travaux.

    Certains de ces travaux avaient été menés à l’Université du Michigan, où Safdi travaillait auparavant. «Sans les travaux de calcul intensif de haute performance au Michigan et à Berkeley, rien de tout cela n’aurait été possible», a-t-il déclaré.

    “Il y a beaucoup de traitement de données et d’analyse de données qui sont entrés dans cela. Vous devez modéliser l’intérieur d’une étoile à neutrons afin de prédire combien d’axions devraient être produits à l’intérieur de cette étoile.”

    Safdi a noté que comme prochaine étape dans cette recherche, les étoiles naines blanches seraient un endroit privilégié pour rechercher des axions car elles ont également des champs magnétiques très puissants et devraient être des «environnements sans rayons X».

    “Cela commence à être assez convaincant que ce soit quelque chose au-delà du modèle standard si nous voyons un excès de rayons X là aussi”, a-t-il déclaré.

    Les chercheurs pourraient également faire appel à un autre télescope spatial à rayons X, appelé NuStar, pour aider à résoudre le mystère de l’excès de rayons X.

    Safdi a déclaré qu’il était également enthousiasmé par les expériences au sol telles que CAST au CERN, qui fonctionne comme un télescope solaire pour détecter les axions convertis en rayons X par un aimant puissant, et ALPS II en Allemagne, qui utiliserait un champ magnétique puissant pour font que les axions se transforment en particules de lumière d’un côté d’une barrière lorsque la lumière laser frappe l’autre côté de la barrière.

    Les axions ont reçu plus d’attention car une succession d’expériences n’a pas réussi à révéler les signes du WIMP (particule massive à faible interaction), un autre candidat prometteur de la matière noire. Et l’image de l’axion n’est pas si simple – cela pourrait en fait être un album de famille.

    Il pourrait y avoir des centaines de particules de type axion, ou ALP, qui composent la matière noire, et la théorie des cordes – une théorie candidate pour décrire les forces de l’univers – maintient ouverte l’existence possible de nombreux types d’ALP.

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