اخترفیزیک ذرات گرایشی بین رشته‌ای ما بین فیزیک ذرات بنیادی و اخترفیزیک می‌باشد. ما در این گروه  به مطالعه‌ی برهمکنش ذرات بنیادی با منشأ اخترفیزیکی و ارتباط آن‌ها با اخترفیزیک و کیهان‌شناسی می‌پردازد. اخترفیزیک انرژی بالا به عنوان آزمایشگاهی طبیعی در دسترس بشر می‌باشد و امکان آزمودن نظریه‌های فیزیکی را در شرایطی که ایجاد آن در سطح زمین و با صرف انرژی محدود بسیار دشوار می‌باشد، فراهم می‌کند. مشاهده ی ذرات پرانرژی نظیر فوتون ها، یون ها و نوترینوها اطلاعات ارزشمندی را از شرایط فیزیکی ویژه ی اجرام اختر فیزیکی فراهم می‌کند.
هدف ما در این گروه مطالعه‌ی  جنبه‌های پدیده‌شناسی و نظری برهمکنش‌های ذرات در شرایط منحصربه فرد محیط‌های اخترفیزیکی و نیز آزمایش‌های زمینی می‌باشد.

در ادامه فهرستی از زمینه های پژوهشی مورد علاقه آورده شده است :

ماده ی تاریک
 

طبیعت ذرات ماده‌ي تاریک با وجود کاوش‌هاي بسیار گسترده هنوز ناشناخته باقیمانده است. یکـی از کاندیـدهاي جذاب ماده‌ي تاریک، اکسیونها یا ذرات شبه اکسیونی می باشند و دلایل زیـادي بـراي ایـن انتخـاب وجـود دارد. جسـتجو بـراي آشکارسازي ماده‌ي تاریکِ اکسیونی در سالهاي اخیر توجه زیادي را به خود جلـب کـرده و منجربه طراحی تعـداد بسـیار زیـادي آزمـایش شده است.

 اکسیونهـا بـه عنـوان ذراتـی ورای مـدل اسـتاندارد ذرات بنیـادي، برهمکنشی ضعیف با فوتونها دارند و ایـن خصوصـیت سبب طراحـی سـامانه هـاي اپتیکـی بسـیار دقیـق بـه منظـور آشکارسازي آنها شده است. با فرض اینکه زمین در حال عبور از هالـه اي از مـاده ي تاریـک اکسـیونی مـی باشـد، قابلیـت تبدیل برهمکنش اکسیونها به یک سیگنال الکتریکی، آشکارسازي این ذرات را با استفاده از یک آزمـایش رومیـزيِ بسـیار دقیق امکانپذیر می سازد. بررسی روش‌های آشکارسازی اکسیون‌‌ها با طراحی آزمایش‌های بسیار دقیق و علاوه بر آن از طریق مطالعه‌ی شواهد اخترفیزیکی آن‌ها از جمله پروژه‌های در دست انجام در گروه اخترفیزیک ذرات می‌باشد.

 

[1] Light by Light Scattering as a New Probe for Axions, Soroush Shakeri, David J. E. Marsh, She-Sheng Xue [arXiv:2002.06123]

[2] Probing Virtual Axion-Like Particles by Precision Phase Measurements، Moslem Zarei, Soroush Shakeri, Mehdi Abdi, David J. E. Marsh, Sabino Matarrese [arXiv:1910.09973]

بررسی شواهد رصدی و آزمایشگاهی کاندیدهای مختلف ماده‌ی تاریک از جمله نوترینوهای استریل از دیگر پروژه‌های گروه اخترفیزیک ذرات می‌باشد. نوترینو های استریل از جمله کاندیدهای ماده‌ی  تاریک گرم می‌باشند و امکان آشکارسازی آن‌ها از طریق تحلیل دقیق پس زنی اتم‌های سنگین نظیر زنون وجود دارد.

[3] Shedding New Light on Sterile Neutrinos from XENON1T Experiment,Soroush Shakeri, Fazlollah Hajkarim, She-Sheng Xue [arXiv:2008.05029]

اثرات غیر خطی الکترودینامیک کوانتومی 

پیش‌بینی‌های نظریه‌ی الکترودینامیک کوانتومی در محدوده‌ی فوتون‌هایی با انرژی زیاد و شدت‌های کم با استفاده از شتابدهنده‌های ذرات و آزمایش‌های طیف‌سنجی با دقت کم نظیری آزموده شده‌اند. در حضور میدان‌های زمینه‌ی قوی، جنبه‌های نوینی، نظیر اثرات غیر خطی QED بروز پیدا می‌کند. حضور جفت الکترون-پوزیترون‌ ها در خلاء کوانتومی منجربه پراکندگی غیرخطی فوتون‌ها از یکدیگر می‌شود که تاکنون  علی‌رغم تلاش‌های بسیار زیاد به تأیید آزمایشگاهی نرسیده است. علاوه بر آن حضور میدان‌های الکتریکی قوی توسط مکانیزم شوینگر می‌‌تواند  جفت‌هایی از ذرات باردار را از خلأ کوانتومی خلق کند.
چنین میدان‌های قوی می‌توانند توسط لیزرهای پرتوان در سطح زمین، در نزدیکی ستاره‌های نوترونی و یا حتی در مراحل اولیه‌ی تحولات جهان به وجود آیند. در گروه اخترفیزیک ذرات ما علاقه‌مند به بررسی حوزه‌ی میدان قوی QED چه در آزمایشگاه‌های زمینی و چه در محیط‌های اخترفیزیکی می‌باشیم.

[1] Nonlinear QED Effects in X-ray Emission of Pulsars , S. Shakeri, M. Haghighat and She-Sheng Xue, JCAP 1710 (2017) no.10, 014 , [arXiv:1704.04750]

[2] Polarization of a Probe Laser Beam due to the Nonlinear QED Effects. Soroush Shakeri, SeyedZafarollah Kalantari, She-Sheng Xue. 2017. 10 pp. Published in Phys.Rev. A95 (2017) no.1, 012108.

[3] Schwinger Effect in Anisotropic Inflation, Soroush Shakeri, Mohammad Ali Gorji and Hassan Firouzjahi,[arXiv:1903.05310] Phys. Rev. D 99, 103525 (2019)

پرتو‌های پرانرژی گاما 

در گروه اخترفیزیک ذرات  به بررسی انفجارهای پرتوی گاما (GRB) به عنوان درخشان‌ترین انفجارهای الکترومغناطیسی عالم می‌پردازیم. فرایند تولید زوج شوینگر از یک سیاه‌چاله‌ی باردار و به دنبال آن انبساط و نابودی پلاسمای حاصل، از منابع تأمین انرژی یک GRB می‌باشد. از این رو با آنالیز طیفی داده‌های GRB می‌توان به شواهدی از فرآیندهای میدان قوی الکترودینامیک کوانتومی رسید. 

برای استخراج اطلاعات فیزیکی از طیف‌ها و منحنی‌های نوری، تمرکز ما بر داده‌های رصدی بدست آمده از ماهواره‌های مختلف نظیر فرمی و سویفت می‌باشد. بعد از کشف رویداد موج گرانشی GW170817 و همزاد الکترومغناطیسی آن GRB 170817A در سال ۲۰۱۷، اخترفیزیک چندپیام‌رسانی مورد توجهی بیش از پیش قرار گرفت. از ویژگی‌های قطبشی همزاد الکترومغناطیسی موج گرانشی برآمده از ادغام چشمه‌های دوتایی می‌توان به عنوان یک معرف منحصربه‌فرد برای رویداد موج گرانشی استفاده کرد.

سرمایه‌گذاری‌های بسیار زیادی که در سال‌های اخیر در حوزه‌ی موج گرانشی و آشکارسازی آن  و از سوی دیگر آشکارسازی پرتو‌های پرانرژی گاما انجام شده است، اهمیت پژوهش در این شاخه را دو چندان می‌کند.

[1] Circularly Polarized EM Radiation from GW Binary Sources. Soroush Shakeri, Alireza Allahyari,Published in JCAP11(2018)042, [arXiv:1808.05210]

[2] “On the universal late X-ray emission of binary-driven hypernovae and its possible collimation” G.B. Pisani, R. Ruffini, Y. Aimuratov, C.L. Bianco, M. Kovacevic, R. Moradi, M. Muccino, A.V. Penacchioni, J.A. Rueda, S. Shakeri Y. Wang. Astrophys.J. 833 (2016) no.2, 159 [arXiv:1610.05619]

[3] ``X-ray Flares in Early Gamma-ray Burst Afterglow’' R. Ruffini, Y. Wang, Y. Aimuratov, L. Becerra, C.L.Bianco, M. Karlica, M. Kovacevic, L. Li, J.D. Melon Fuksman, R. Moradi, M. Muccino, A.V. Penacchioni,G.B. Pisani, D. Primorac, J.A. Rueda, S. Shakeri, G.V. Vereshchagin, S.-S. Xue,Astrophys.J. 852 (2018)no.1, 53 [arXiv:1704.03821]