La recherche des axions de l’étoile voisine Bételgeuse est vide


La recherche des axions de l'étoile voisine Bételgeuse est vide

Une recherche menée par le MIT pour les axions de l’étoile voisine Bételgeuse (illustrée ici) était vide, ce qui a considérablement restreint la recherche de particules de noire hypothétiques. Crédits: Collage de MIT News. Bételgeuse Image reproduite avec l’aimable autorisation d’ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / E. O’Gorman / P. Kervella

La particule d’axion insaisissable plusieurs fois plus légère qu’un électron et possède des propriétés qui font peu d’impression sur la matière ordinaire. En tant que telle, la particule fantomatique est un concurrent de premier plan en tant que constituant de la matière noire – un type hypothétique et invisible de matière censée représenter 85% de la masse de l’univers.

Les axions ont jusqu’ici échappé à la découverte. Les physiciens prédisent que s’ils existent, ils devront être fabriqués dans des environnements extrêmes comme les noyaux d’étoiles au bord d’une supernova. Lorsque ces étoiles crachent des axions dans l’univers, les particules devraient brièvement se transformer en photons lorsqu’elles frappent les champs magnétiques environnants et éventuellement se révéler.

Désormais, les physiciens du MIT recherchent des axions à Bételgeuse, une étoile proche qui devrait bientôt devenir une supernova, du moins à des échelles astrophysiques. Bételgeuse, étant donné sa disparition imminente, devrait être une usine d’axions naturelle qui fait constamment tourbillonner les particules alors que l’étoile brûle.

Cependant, lorsque l’équipe a recherché les signatures attendues des axions sous forme de photons dans la bande de rayons X, leur recherche était vide. Leurs résultats excluent l’existence d’axions ultra-légers qui peuvent interagir avec les photons sur une large gamme d’énergies. Les résultats présentent de nouvelles contraintes sur les propriétés de la particule qui sont trois fois plus fortes que les précédentes expériences de détection Axion en laboratoire.

«Nos résultats indiquent que ces particules vraiment légères que nous recherchions ne parleront pas beaucoup aux photons», déclare Kerstin Perez, professeur adjoint de au MIT. «Nous rendons fondamentalement la vie de tout le monde plus difficile parce que nous disons: ‘Vous allez devoir penser à autre chose qui vous donnerait un signal d’axion.’»

Perez et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd’hui Lettres d’examen physique. Ses co-auteurs du MIT comprennent les auteurs principaux Mengjiao Xiao, Brandon Roach et Melaina Nynka, ainsi que Maurizio Giannotti de l’Université Barry, Oscar Straniero de l’Observatoire astronomique des Abruzzes, Alessandro Mirizzi de l’Institut national de physique nucléaire en Italie et Brian Grefenstette de Caltech.

Une chasse au jumelage

On dit que beaucoup des expériences actuelles à la recherche d’axions les recherchent comme un produit de l’effet Primakoff, un processus qui décrit un «couplage» théorique entre axions et photons. Les axions ne sont normalement pas censés interagir avec les photons – il est donc probable qu’il s’agisse de matière noire. Cependant, l’effet Primakoff prédit que lorsque les photons sont exposés à des champs magnétiques intenses, par exemple dans les noyaux d’étoiles, ils peuvent se transformer en axions. Le centre de nombreuses étoiles devrait donc être des usines d’axions naturels.

Lorsqu’une étoile explose dans une supernova, elle devrait amener les axions dans l’univers. Si les particules invisibles pénètrent dans un champ magnétique, par exemple entre l’étoile et la Terre, elles devraient redevenir des photons, vraisemblablement avec une certaine énergie détectable. Les scientifiques utilisent ce processus pour rechercher des axions, par exemple à partir de notre propre soleil.

« Mais le soleil a aussi des éruptions et émet toujours des rayons X, et c’est difficile à comprendre », dit Perez. Au lieu de cela, elle et ses collègues ont cherché des axions de Bételgeuse, une étoile qui n’émet normalement pas de rayons X. L’étoile est l’une des plus proches de la Terre et devrait bientôt exploser.

«Bételgeuse a une température et un mode de vie qui ne devraient pas recevoir de rayons X de l’astrophysique stellaire standard», explique Perez. « Mais si les axions existent et sortent, nous pouvons voir une signature aux rayons X. C’est pourquoi cette étoile est un bel objet: quand on voit des rayons X, c’est un signal à une arme fumante que ce doit être des axions. »

«Les sont des données»

Les chercheurs ont recherché des signatures radiographiques des axions de Bételgeuse à l’aide de données capturées par NuSTAR, le télescope spatial de la NASA, qui concentre des rayons X de haute énergie provenant de sources astrophysiques. Lors de l’entraînement du télescope sur Bételgeuse, l’équipe a reçu 50 kilosecondes de données de NuSTAR.

Les chercheurs ont ensuite modélisé une série d’émissions de rayons X qu’ils pourraient voir de Bételgeuse si l’étoile crachait des axions. Ils ont considéré un certain nombre de masses qu’un axion pourrait être, ainsi qu’un certain nombre de probabilités avec lesquelles les axions se «coupleraient» à un photon et se reconvertiraient en photon, en fonction de la force du champ magnétique entre l’étoile et la terre.

«Toute cette modélisation vous donne un certain nombre de façons dont votre signal de rayons X provenant des axions pourrait ressembler», explique Perez.

Cependant, à la recherche de ces signaux dans les données NuSTAR, ils n’ont rien trouvé au-dessus de leur arrière-plan attendu ou en dehors des sources de rayons X astrophysiques courantes.

«Bételgeuse est probablement à un stade avancé de son évolution et devrait dans ce cas avoir une forte probabilité de se transformer en axions», explique Xiao. « Mais les données sont des données. »

Compte tenu de l’éventail de conditions qu’ils envisagent, le résultat nul de l’équipe exclut un large éventail de possibilités et fixe une supérieure trois fois plus élevée que les limites précédentes des recherches en laboratoire pour ce qu’un Axion doit être. Essentiellement, cela signifie que pour les axions ultra-légers, les résultats de l’équipe montrent que les particules sont au moins trois fois moins susceptibles de se coupler à des photons et d’émettre des rayons X détectables.

«Si les axions ont des masses ultra-légères, nous pouvons certainement vous dire que leur couplage doit être très petit, sinon nous l’aurions vu», explique Perez.

En fin de compte, cela signifie que les scientifiques devront peut-être rechercher d’autres bandes d’énergie moins détectables pour les signaux axioniques. Cependant, Perez dit que la recherche des axions de Bételgeuse n’est pas terminée.

« Ce qui serait passionnant serait si nous voyions une supernova qui a enflammé un grand nombre d’axions qui n’étaient pas dans les rayons X mais dans les rayons gamma », dit Perez. « Si une étoile explose et que nous ne voyons pas d’axions, nous allons avoir des restrictions très strictes sur la façon dont un axion peut être couplé aux photons. Donc, tout le monde croise les doigts pour que Bételgeuse aille. »


Les rayons X entourant ‘Magnificent 7’ peuvent être des traces de particules recherchées


Plus d’information:
Mengjiao Xiao et coll. Limitations pour les particules de type axion à partir d’une observation aux rayons X durs de Bételgeuse. Phys. Rev. Lett. 126, 031101 – Publié le 21 janvier 2021

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire a été republiée avec l’autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site Web populaire qui contient des nouvelles sur la recherche, l’innovation et l’enseignement au MIT.

Citation: La recherche des axions de l’étoile voisine Bételgeuse est vide (2021, 21 janvier) et a été trouvée le 22 janvier 2021 sur https://phys.org/news/2021-01-axions-nearby--betelgeuse.html récupéré

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