Den svårfångade axionpartikeln är många gånger lättare än en elektron, med egenskaper som knappt gör intryck på den vanliga materien. Som sådan, den spökliknande partikeln är en ledande utmanare som en komponent i mörk materia - en hypotetisk, osynlig typ av materia som tros utgöra 85 procent av massan i universum.

Axioner har hittills undvikit upptäckt. Fysiker förutspår att om de existerar, de måste produceras i extrema miljöer, såsom kärnorna av stjärnor vid branten av en supernova. När dessa stjärnor spyr ut axioner i universum, partiklarna, när man möter omgivande magnetfält, bör kort förvandlas till fotoner och potentiellt avslöja sig själva.

Nu, MIT-fysiker har sökt efter axioner i Betelgeuse, en närliggande stjärna som förväntas brinna ut som en supernova snart, åtminstone på astrofysiska tidsskalor. Med tanke på dess förestående bortgång, Betelgeuse borde vara en naturlig fabrik av axioner, ständigt kärnar ur partiklarna när stjärnan brinner bort.

Dock, när laget letade efter förväntade signaturer av axions, i form av fotoner i röntgenbandet, deras sökning blev tom. Deras resultat utesluter förekomsten av ultralätta axioner som kan interagera med fotoner över ett brett spektrum av energier. Fynden sätter nya begränsningar för partikelns egenskaper som är tre gånger starkare än några tidigare laboratoriebaserade axiondetekterande experiment.

"Vad våra resultat säger är, om du vill leta efter dessa riktigt lätta partiklar, som vi letade efter, de kommer inte att prata särskilt mycket med fotoner, säger Kerstin Perez, biträdande professor i fysik vid MIT. "Vi gör i princip allas liv svårare eftersom vi säger, "du kommer att behöva tänka på något annat som skulle ge dig en axionsignal."

Perez och hennes kollegor har publicerat sina resultat idag i Fysiska granskningsbrev . Hennes MIT-medförfattare inkluderar huvudförfattaren Mengjiao Xiao, Brandon Roach, och Melaina Nynka, tillsammans med Maurizio Giannotti från Barry University, Oscar Straniero från Abruzzo Astronomical Observatory, Alessandro Mirizzi från National Institute for Nuclear Physics i Italien, och Brian Grefenstette från Caltech.

En jakt på koppling

Många av de nuvarande experimenten som söker efter axioner är designade för att leta efter dem som en produkt av Primakoff-effekten, en process som beskriver en teoretisk "koppling" mellan axioner och fotoner. Axioner anses normalt inte interagera med fotoner - därav deras sannolikhet att vara mörk materia. Dock, Primakoff-effekten förutspår att, när fotoner utsätts för intensiva magnetfält, som i stjärnkärnor, de kunde förvandlas till axioner. Centrum för många stjärnor bör därför vara naturliga axionsfabriker.

När en stjärna exploderar i en supernova, det borde köra ut axionerna i universum. Om de osynliga partiklarna rinner in i ett magnetfält, till exempel mellan stjärnan och jorden, de borde förvandlas till fotoner igen, förmodligen med viss detekterbar energi. Forskare jagar axioner genom denna process, till exempel från vår egen sol.

"Men solen har också blossar och ger ifrån sig röntgenstrålar hela tiden, och det är svårt att förstå, säger Perez. Hon och hennes kollegor letade istället efter axioner från Betelgeuse, en stjärna som normalt inte avger röntgenstrålar. Stjärnan är bland de närmast jorden som förväntas explodera snart.

"Betelgeuse är i en temperatur och ett livsstadium där du inte förväntar dig att se röntgenstrålar komma ut ur den, genom standard stjärnastrofysik, " Perez förklarar. "Men om axioner existerar, och kommer ut, vi kanske ser en röntgensignatur. Så det är därför den här stjärnan är ett trevligt objekt:Om du ser röntgenstrålar, det är en rykande pistolsignal att det måste vara axions."

"Data är data"

Forskarna letade efter röntgensignaturer av axioner från Betelgeuse, använder data som tagits av NuSTAR, NASA:s rymdbaserade teleskop som fokuserar högenergiröntgenstrålar från astrofysiska källor. Teamet fick 50 kilosekunders data från NuSTAR under tiden som teleskopet tränades på Betelgeuse.

Forskarna modellerade sedan en rad röntgenstrålar som de kan se från Betelgeuse om stjärnan spydde ut axioner. De ansåg en rad massor som en axion kan vara, samt en rad sannolikheter för att axionerna skulle "koppla" till och återomvandlas till en foton, beroende på magnetfältets styrka mellan stjärnan och jorden.

"Av all den där modelleringen, du får ett urval av hur din röntgensignal av axioner kan se ut, " säger Perez.

När de sökte efter dessa signaler i NuSTARs data, dock, de hittade ingenting över sin förväntade bakgrund eller utanför några vanliga astrofysiska källor till röntgenstrålar.

"Betelgeuse är förmodligen i det sena stadiet av evolutionen och borde i så fall ha en stor sannolikhet att omvandlas till axioner, " säger Xiao. "Men data är data."

Med tanke på de olika förhållanden de ansåg, lagets nollresultat utesluter ett stort utrymme av möjligheter och sätter en övre gräns som är tre gånger starkare än tidigare gränser, från laboratoriebaserade sökningar, för vad en axion måste vara. I huvudsak, detta betyder att om axioner är ultralätta i massa, teamets resultat visar att partiklarna måste vara minst tre gånger mindre benägna att kopplas till fotoner och sända ut detekterbara röntgenstrålar.

"Om axioner har ultralätta massor, vi kan definitivt säga att deras koppling måste vara mycket liten, annars hade vi sett det, " säger Perez.

I sista hand, detta innebär att forskare kan behöva se till andra, mindre detekterbara energiband för axionssignaler. Dock, Perez säger att sökandet efter axioner från Betelgeuse inte är över.

"Det som skulle vara spännande skulle vara om vi ser en supernova, som skulle antända en enorm mängd axioner som inte skulle finnas i röntgenstrålar, men i gammastrålar, " säger Perez. "Om en stjärna exploderar och vi inte ser axioner, då får vi riktigt stränga begränsningar för en axions koppling till fotoner. Så alla håller tummarna för att Betelgeuse ska gå av."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.