Камертон тёмной материи: как аксионы настраивают радионебо ✛ ✎
Радиометр ARCADE2 на высотном аэростате зафиксировал избыточное радиоизлучение, а наземный эксперимент EDGES — аномально глубокий провал в спектре водорода на 21 см. Оба сигнала не вписываются в стандартную космологическую модель и указывают на неизвестный источник мягких фотонов. Словно камертон, настроенный на частоту расширяющейся Вселенной, аксион резонирует с плазмой ранней Вселенной, превращаясь в фотоны и оставляя след в радионебе.
В новой работе аксион-фотонное превращение рассмотрено в космологическом контексте: авторы вывели вероятность конверсии из первых принципов в расширяющейся Вселенной с метрикой Фридмана–Леметра–Робертсона–Уокера. Учёт плазмы дал фотону эффективную массу, зависящую от плотности электронов. Резонанс возникает, когда эта масса сравнивается с массой аксиона. Для массы аксиона 2×10⁻¹⁴ эВ резонанс происходит на красном смещении z≈21.6, а для 2×10⁻¹³ эВ — на z≈103.8. Моделирование стохастических первичных магнитных полей с амплитудой B0 от 0.1 до 1 нГс показало, что аксионоподобные частицы с массой ~10⁻¹⁴–10⁻¹² эВ и почти масштабно-инвариантные поля нано-гауссового уровня объясняют и ARCADE2, и EDGES.
При амплитуде магнитного поля B0=0.45 нГс и масштабно-инвариантном спектре модель воспроизводит радиоизбыток ARCADE2: χ²_min≈48 для nB=−3 и nB=−2.75 при B0=0.44 нГс и 0.58 нГс соответственно, с наклоном степенного спектра β≈−2.34 (при χ²≲100 β∈[−2.6,−2.3]). Для объяснения провала EDGES требуется, чтобы вклад аксионных фотонов в радиационный фон составлял ξ=5–20% при масштабно-инвариантном спектре и ξ=40–100% при почти масштабно-инвариантном из-за нагрева от амбиполярной диффузии и турбулентного распада. Допустимые параметры: масса аксиона 10⁻¹⁴–10⁻¹² эВ, константа связи g_φγ~5×10⁻¹³ ГэВ⁻¹, магнитное поле B0~0.1–0.9 нГс. Модель согласуется с ограничениями на первичные магнитные поля из CMB (B0<4.4 нГс) и на ΔN_eff (ΔN_eff≲0.17).
Эта работа впервые показывает, что глобальные наблюдения на 21 см могут быть чувствительны к аксионам и первичному магнетизму, открывая новое окно в физику за пределами Стандартной модели. В ближайшие годы эксперименты LEDA, PRIZM, REACH и миссии PIXIE, PRISM должны уточнить спектр радиофона и сигнал 21 см. Совместный анализ этих данных с ограничениями на спектральные искажения CMB позволит проверить предсказания модели. Камертон настроен: осталось услышать чистый тон.
Аксион, названный в честь стирального порошка, изначально был придуман для решения проблемы сильного CP-нарушения в квантовой хромодинамике, а теперь претендует на роль моста между тёмной материей и радионебом.
Идея частиц, превращающихся в свет в магнитных полях, напоминает мотив из романа «Солярис» Станислава Лема, где океан-мыслящий плазменный организм взаимодействует с излучением, порождая неожиданные сигналы.