Astrophysiker der University of California, Berkeley, schlagen vor, dass das elusive Dunkle-Materie-Teilchen, das Axion, innerhalb von Sekunden nach einer nahegelegenen Supernova-Explosion entdeckt werden könnte. Dieser Durchbruch hängt von der Erkennung von Gammastrahlen ab, die in den ersten Momenten nach dem Kernkollaps eines massiven Sterns erzeugt werden.
Das Axion, ein leichtes Teilchen, das theoretisch einen signifikanten Teil der Dunklen Materie des Universums ausmacht, wird voraussichtlich in großen Mengen kurz nach einer Supernova erzeugt. Damit eine Erkennung stattfinden kann, muss das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop zum Zeitpunkt der Explosion auf die Supernova gerichtet sein, was eine Wahrscheinlichkeit von etwa 10 % hat.
Wenn Gammastrahlen erkannt werden, könnten die Forscher die Masse des Axions über ein breites Spektrum theoretischer Werte bestimmen, einschließlich der Werte, die derzeit in Laborversuchen getestet werden. Umgekehrt würde das Fehlen einer Erkennung viele potenzielle Axionmassen ausschließen und die laufenden Dunkle-Materie-Forschungen erheblich beeinflussen.
Die letzte nahegelegene Supernova, 1987A, ereignete sich im Großen Magellanschen Wolken. Zu diesem Zeitpunkt war das Solar Maximum Mission-Teleskop nicht empfindlich genug, um die erwartete Gammastrahlintensität zu erkennen, was eine Datenlücke hinterließ.
Benjamin Safdi, außerordentlicher Professor an der UC Berkeley, äußerte Bedenken, dass die nächste Supernova auftreten könnte, bevor geeignete Detektionsinstrumente bereitgestellt werden. Die Forscher diskutieren derzeit die Machbarkeit des Starts einer Satellitenkonstellation für Gammastrahlen mit vollständiger Himmelüberwachung, die GALAXIS genannt wird, um eine kontinuierliche Überwachung des Himmels auf Gammastrahlenausbrüche zu gewährleisten.
Das Axion ist ein starker Kandidat für Dunkle Materie, da es in das Standardmodell der Teilchenphysik passt und potenziell die Gravitation mit der Quantenmechanik vereinen könnte. Das QCD-Axion, benannt nach der Quantenchromodynamik, interagiert schwach mit Materie und soll sich in starken Magnetfeldern in Photonen umwandeln.
Aktuelle Experimente, einschließlich der ALPHA-Konsortiums, zielen darauf ab, Axionen mit Laboranordnungen zu erkennen. Das UC Berkeley-Team schlägt jedoch vor, dass Neutronensterne als optimale Umgebungen für die Axionproduktion dienen könnten, insbesondere während Kernkollaps-Supernovae. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Gammastrahlen, die in der Nähe von Neutronensternen erzeugt werden, erkannt werden könnten, was Einblicke in die Eigenschaften des Axions liefert.
In ihrem aktuellen Artikel haben die Forscher Grenzen für die Masse von axionähnlichen Teilchen festgelegt und vorhergesagt, dass eine Gammastrahlenerkennung die QCD-Axionmasse bestätigen könnte, wenn sie 50 Mikroelektronvolt übersteigt. Dies würde bestehenden Experimenten ermöglichen, sich auf die Bestätigung der Eigenschaften des Axions zu konzentrieren.
Die Studie unterstreicht die Bedeutung rechtzeitiger Detektionsmöglichkeiten in der Dunkle-Materie-Forschung, da die nächste Supernova eine entscheidende Gelegenheit bieten könnte, unser Verständnis des Universums voranzubringen.