Un nuovo studio, guidato da un fisico teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab), suggerisce che particelle mai osservate prima chiamate assioni possono essere la fonte di inspiegabili, emissioni di raggi X ad alta energia che circondano un gruppo di stelle di neutroni.

Teorizzato per la prima volta negli anni '70 come parte di una soluzione a un problema fondamentale di fisica delle particelle, gli assioni dovrebbero essere prodotti al centro delle stelle, e trasformarsi in particelle di luce, chiamati fotoni, in presenza di un campo magnetico.

Gli assioni possono anche costituire la materia oscura, la sostanza misteriosa che rappresenta circa l'85 percento della massa totale dell'universo, eppure finora abbiamo visto solo i suoi effetti gravitazionali sulla materia ordinaria. Anche se l'eccesso di raggi X risulta non essere assioni o materia oscura, potrebbe ancora rivelare una nuova fisica.

Una collezione di stelle di neutroni, noto come i Magnifici 7, fornito un ottimo banco di prova per l'eventuale presenza di assioni, poiché queste stelle possiedono potenti campi magnetici, sono relativamente vicini, entro centinaia di anni luce, e ci si aspettava che producessero solo raggi X a bassa energia e luce ultravioletta.

"Sono noti per essere molto 'noiosi, '" e in questo caso è una buona cosa, ha detto Benjamin Safdi, un Divisional Fellow nel gruppo teorico della Berkeley Lab Physics Division che ha condotto uno studio, pubblicato il 12 gennaio sulla rivista Lettere di revisione fisica , dettagliando la spiegazione dell'assione per l'eccesso.

Cristoforo Dessert, un'affiliata alla Berkeley Lab Physics Division, contribuito notevolmente allo studio, che ha visto la partecipazione anche di ricercatori della UC Berkeley, l'Università del Michigan, Università di Princeton, e l'Università del Minnesota.

Se le stelle di neutroni fossero di un tipo noto come pulsar, avrebbero una superficie attiva che emette radiazioni a diverse lunghezze d'onda. Questa radiazione si presenterebbe attraverso lo spettro elettromagnetico, Safdi ha notato, e potrebbe coprire questa firma a raggi X che i ricercatori avevano trovato, o produrrebbe segnali a radiofrequenza. Ma i Magnifici 7 non sono pulsar, e nessun segnale radio di questo tipo è stato rilevato. Neanche altre spiegazioni astrofisiche comuni sembrano reggere alle osservazioni, ha detto Safdi.

Se l'eccesso di raggi X rilevato intorno al Magnifico 7 è generato da uno o più oggetti che si nascondono dietro le stelle di neutroni, che probabilmente sarebbe apparso nei set di dati che i ricercatori stanno utilizzando da due satelliti spaziali:l'XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea e i telescopi a raggi X Chandra della NASA.

Safdi e collaboratori affermano che è ancora del tutto possibile che un nuovo, una spiegazione non assionica si pone per spiegare l'eccesso di raggi X osservato, sebbene restino fiduciosi che una tale spiegazione si trovi al di fuori del Modello Standard della fisica delle particelle, e che nuovi esperimenti a terra e nello spazio confermeranno l'origine del segnale a raggi X ad alta energia.

"Siamo abbastanza fiduciosi che questo eccesso esista, e molto fiducioso che ci sia qualcosa di nuovo in questo eccesso, " Ha detto Safdi. "Se fossimo sicuri al 100% che ciò che stiamo vedendo è una nuova particella, sarebbe enorme. Sarebbe rivoluzionario in fisica." Anche se la scoperta risultasse non essere associata a una nuova particella o materia oscura, Egli ha detto, "Ci direbbe molto di più sul nostro universo, e ci sarebbe molto da imparare".

Raymond Co, un ricercatore post-dottorato dell'Università del Minnesota che ha collaborato allo studio, disse, "Non stiamo ancora affermando di aver fatto la scoperta dell'assione, ma stiamo dicendo che i fotoni di raggi X in più possono essere spiegati dagli assioni. È un'emozionante scoperta dell'eccesso nei fotoni a raggi X, ed è un'eccitante possibilità che è già coerente con la nostra interpretazione degli assioni".

Se esistono assioni, ci si aspetterebbe che si comportino come i neutrini in una stella, poiché entrambi avrebbero masse molto leggere e interagirebbero solo molto raramente e debolmente con altra materia. Potrebbero essere prodotti in abbondanza all'interno delle stelle. Le particelle non cariche chiamate neutroni si muovono all'interno delle stelle di neutroni, occasionalmente interagiscono disperdendosi l'uno dall'altro e rilasciando un neutrino o forse un assione. Il processo di emissione di neutrini è il modo dominante con cui le stelle di neutroni si raffreddano nel tempo.

Come i neutrini, gli assioni sarebbero in grado di viaggiare al di fuori della stella. Il campo magnetico incredibilmente forte che circonda le Magnifiche 7 stelle, miliardi di volte più forte dei campi magnetici che possono essere prodotti sulla Terra, potrebbe causare la conversione in luce degli assioni in uscita.

Le stelle di neutroni sono oggetti incredibilmente esotici, e Safdi ha notato che molti modelli, analisi dei dati, e il lavoro teorico è andato nell'ultimo studio. I ricercatori hanno utilizzato pesantemente una banca di supercomputer nota come Lawrencium Cluster al Berkeley Lab nell'ultimo lavoro.

Alcuni di questi lavori sono stati condotti presso l'Università del Michigan, dove prima lavorava Safdi. "Senza il lavoro di supercalcolo ad alte prestazioni in Michigan e Berkeley, niente di tutto questo sarebbe stato possibile, " Egli ha detto.

"C'è un sacco di elaborazione dei dati e analisi dei dati che sono andati in questo. Devi modellare l'interno di una stella di neutroni per prevedere quanti assioni dovrebbero essere prodotti all'interno di quella stella."

Safdi ha osservato che come passo successivo in questa ricerca, le stelle nane bianche sarebbero il luogo ideale per cercare gli assioni perché hanno anche campi magnetici molto forti, e dovrebbero essere "ambienti privi di raggi X".

"Questo inizia a essere piuttosto convincente che questo è qualcosa al di là del modello standard se vediamo un eccesso di raggi X lì, pure, " Egli ha detto.

I ricercatori potrebbero anche arruolare un altro telescopio spaziale a raggi X, chiamato NuStar, per aiutare a risolvere il mistero dell'eccesso di raggi X.

Safdi si è detto entusiasta anche degli esperimenti a terra come CAST al CERN, che funziona come un telescopio solare per rilevare gli assioni convertiti in raggi X da un forte magnete, e ALPS II in Germania, che utilizzerebbe un potente campo magnetico per far sì che gli assioni si trasformino in particelle di luce su un lato di una barriera mentre la luce laser colpisce l'altro lato della barriera.

Gli assioni hanno ricevuto più attenzione poiché una serie di esperimenti non è riuscita a far emergere segni di WIMP (particella massiccia a interazione debole), un altro promettente candidato alla materia oscura. E l'immagine di Axion non è così semplice:potrebbe effettivamente essere un album di famiglia.

Potrebbero esserci centinaia di particelle simili ad assioni, o ALP, che compongono la materia oscura, e la teoria delle stringhe, una teoria candidata per descrivere le forze dell'universo, tiene aperta la possibile esistenza di molti tipi di ALP.