在中子星碰撞碎片中寻找新物理

根据圣路易斯华盛顿大学的研究，中子星合并是新物理信号的宝库，对于确定暗物质的真实性质具有重要意义。2017年8月17日，美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和意大利处女座探测器探测到两颗中子星碰撞产生的引力波。这是第一次，地面和太空中的数十台望远镜在引力波中听到并在光中看到了这一天文事件。

艺术与科学领域的物理学家布帕尔·德夫(BhupalDev)利用这次中子星合并(天文学界将其称为GW170817的事件)的观测结果得出了对轴子类粒子的新约束。这些假设的粒子尚未被直接观察到，但它们出现在物理标准模型的许多扩展中。

轴子和类轴子粒子是构成宇宙中部分或全部“缺失”物质或暗物质的主要候选者，科学家们尚未对此进行解释。至少，这些微弱相互作用的粒子可以充当一种门户，将人类熟知的可见区域与宇宙中未知的黑暗区域连接起来。

“我们有充分的理由怀疑，超出标准模型的新物理学可能即将出现，”《物理评论快报》上这项研究的第一作者、该大学麦克唐纳空间科学中心的教员德夫说。

当两颗中子星合并时，会在短时间内形成炽热、致密的残余物。戴夫说，这个遗迹是产生外来粒子的理想滋生地。他说：“在大约一秒钟的时间内，残余物的温度比单个恒星要高得多，然后根据初始质量，形成更大的中子星或黑洞。”

这些新粒子悄悄地逃离了碰撞的碎片，并在远离其来源的地方，可以衰变成已知的粒子，通常是光子。Dev和他的团队——包括华盛顿大学校友史蒂文·哈里斯(现为印第安纳大学NP3M研究员)、Jean-FrancoisFortin、KuverSinha和张永超——表明这些逃逸粒子会产生独特的电磁信号，可以通过伽马检测到射线望远镜，例如NASA的Fermi-LAT。

研究小组分析了这些电磁信号的光谱和时间信息，并确定他们可以将这些信号与已知的天体物理背景区分开来。然后，他们使用GW170817上的费米-LAT数据得出轴子-光子耦合作为轴子质量函数的新约束。这些天体物理约束与来自实验室实验的约束是互补的，例如ADMX，它探测轴子参数空间的不同区域。

未来，科学家们可以使用现有的伽马射线太空望远镜，如费米-LAT，或拟议的伽马射线任务，如华盛顿大学领导的先进粒子天体物理望远镜(APT)，在中子星碰撞和碰撞过程中进行其他测量。帮助提高他们对类轴子粒子的理解。

“极端的天体物理环境，如中子星合并，为我们寻找轴子等暗区粒子提供了新的机会，轴子可能是了解宇宙中缺失的85%物质的关键，”德夫说。

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