Ученые кафедры теории относительности и гравитации Института физики Казанского федерального университета представили новый способ обнаружения аксионов – с помощью анализа особенностей профиля радиального электрического поля в астрофизических объектах с сильным магнитным полем.

Все видимое вещество во Вселенной (звезды и межгалактический газ) составляют всего 4% от ее общей массы. Остальное приходится на невидимые субстанции с удивительными свойствами – темную материю и темную энергию.

В космологии есть две основных гипотезы о сущности таинственной темной материи, которая удерживает галактики от распада. Одна из них гласит, что эту невидимую массу образуют компактные астрономические объекты – MACHOs. Другая гипотеза утверждает, что темная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных частиц – WIMPs. Представители кафедры теории относительности и гравитации Института физики Казанского федерального университета придерживаются второй точки зрения, но уточняют, что составляющими темной материи, скорее всего, являются аксионы – гипотетические сверхлегкие псевдо-голдстоуновские бозоны, способные взаимодействовать с фотонами.

В статье, недавно опубликованной в журнале Physical Review D , профессор КФУ Александр Балакин и его аспирант Дмитрий Грошев обсуждают новый способ обнаружения аксионов – с помощью анализа особенностей профиля радиального электрического поля в астрофизических объектах с сильным магнитным полем.

«Интересной особенностью аксионной электродинамики является то, что модифицированные уравнения электромагнетизма допускают существование эффектов, которые невозможны в классической теории Фарадея-Максвелла, – говорит Дмитрий Грошев. – Одним из таких эффектов является образование аксионных дионов, объектов с параллельными радиально направленными электрическим и магнитным полями».

В магнитосфере аксионных дионов может проявляться обобщенный эффект Росселанда-Пеннекока. Суть его в следующем. Под действием гравитационного поля в равновесной изотермической плазме происходит пространственное разделение зарядов: более тяжелые ионы, несущие положительный заряд, оседают ниже, чем более легкие электроны, которые несут отрицательный заряд. В результате возникает радиально направленное электрическое поле, известное почти сто лет как компенсирующее поле Росселанда-Пеннекока. В классической электрон-позитронной плазме это компенсирующее поле исчезает, поскольку носители положительного и отрицательного заряда имеют одинаковые массы. В аксионных дионах, как показано в работе, даже в таком предельном случае возможна не только поляризация, но и стратификация электрон-позитронной плазмы, сопровождающаяся специфическим распределением электрического поля.

«В данный момент наши усилия направлены на то, чтобы на основании теории сформулировать конкретные предложения, адресованные астрофизикам, для наблюдений, которые помогли бы обнаружить следы аксионов, оставленные в звездной плазме, и, возможно, разгадать одну из главных загадок современной физики космоса – идентифицировать частицы, формирующие темную материю» – отмечает Александр Балакин.