Een van de grootste ideeën in de natuurkunde is de mogelijkheid dat alle bekende krachten, deeltjes, en interacties kunnen worden verbonden in één raamwerk. De snaartheorie is misschien wel het bekendste voorstel voor een 'theorie van alles' die ons begrip van het fysieke universum zou verbinden.

Ondanks dat er al tientallen jaren veel verschillende versies van de snaartheorie in de natuurkundegemeenschap circuleren, er zijn zeer weinig experimentele tests geweest. Astronomen die NASA's Chandra X-ray Observatory gebruiken, echter, hebben op dit gebied nu een belangrijke stap voorwaarts gemaakt.

Door te zoeken in clusters van sterrenstelsels, de grootste structuren in het universum bij elkaar gehouden door de zwaartekracht, onderzoekers waren in staat om op een specifiek deeltje te jagen dat volgens veel modellen van de snaartheorie zou moeten bestaan. Hoewel de resulterende niet-detectie de snaartheorie niet helemaal uitsluit, het geeft wel een klap aan bepaalde modellen binnen die ideeënfamilie.

"Tot voor kort had ik geen idee hoeveel röntgenastronomen op tafel leggen als het gaat om snaartheorie, maar we zouden een grote rol kunnen spelen, " zei Christopher Reynolds van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk, die de studie leidde. "Als deze deeltjes uiteindelijk worden gedetecteerd, zou dat de natuurkunde voor altijd veranderen."

Het deeltje waar Reynolds en zijn collega's naar op zoek waren, wordt een 'axion' genoemd. Deze nog niet gedetecteerde deeltjes zouden buitengewoon lage massa's moeten hebben. Wetenschappers kennen het precieze massabereik niet, maar veel theorieën hebben axionmassa's variërend van ongeveer een miljoenste van de massa van een elektron tot een massa van nul. Sommige wetenschappers denken dat axions het mysterie van donkere materie kunnen verklaren, die verantwoordelijk is voor de overgrote meerderheid van de materie in het universum.

Een ongebruikelijke eigenschap van deze deeltjes met ultralage massa is dat ze soms kunnen worden omgezet in fotonen (dat wil zeggen, lichtpakketten) als ze door magnetische velden gaan. Het tegenovergestelde kan ook gelden:fotonen kunnen onder bepaalde voorwaarden ook worden omgezet in axionen. Hoe vaak deze omschakeling plaatsvindt, hangt af van hoe gemakkelijk ze deze conversie maken, met andere woorden, op hun "convertibiliteit".

Sommige wetenschappers hebben het bestaan ​​voorgesteld van een bredere klasse van ultralage massadeeltjes met vergelijkbare eigenschappen als axionen. Axions zou een enkele convertibiliteitswaarde hebben bij elke massa, maar "axion-achtige deeltjes" zouden een bereik van convertibiliteit hebben bij dezelfde massa.

"Hoewel het misschien een schot in de roos klinkt om te zoeken naar kleine deeltjes zoals axionen in gigantische structuren zoals clusters van sterrenstelsels, het zijn eigenlijk geweldige plekken om te kijken, " zei co-auteur David Marsh van de Universiteit van Stockholm in Zweden. "Clusters van sterrenstelsels bevatten magnetische velden over gigantische afstanden, en ze bevatten vaak ook heldere röntgenbronnen. Samen vergroten deze eigenschappen de kans dat conversie van axion-achtige deeltjes detecteerbaar is."

Om te zoeken naar tekenen van conversie door axion-achtige deeltjes, het team van astronomen onderzocht gedurende vijf dagen Chandra-waarnemingen van röntgenstraling van materiaal dat naar het superzware zwarte gat in het centrum van de Perseus-cluster van sterrenstelsels viel. Ze bestudeerden het Chandra-spectrum, of de hoeveelheid röntgenstraling waargenomen bij verschillende energieën, van deze bron. De lange observatie en de heldere röntgenbron gaven een spectrum met voldoende gevoeligheid om vervormingen te vertonen die wetenschappers verwachtten als axion-achtige deeltjes aanwezig waren.

Door het gebrek aan detectie van dergelijke vervormingen konden de onderzoekers de aanwezigheid uitsluiten van de meeste soorten axion-achtige deeltjes in het massabereik waarvoor hun waarnemingen gevoelig waren, onder ongeveer een miljoenste van een miljardste van de massa van een elektron.

"Ons onderzoek sluit het bestaan ​​van deze deeltjes niet uit, maar het helpt hun zaak zeker niet, "Zei co-auteur Helen Russell van de Universiteit van Nottingham in het Verenigd Koninkrijk. "Deze beperkingen graven in het bereik van eigenschappen die worden gesuggereerd door de snaartheorie, en kan snaartheoretici helpen hun theorieën te wieden."

Het laatste resultaat was ongeveer drie tot vier keer gevoeliger dan de vorige beste zoektocht naar axion-achtige deeltjes, die afkomstig waren van Chandra-waarnemingen van het superzware zwarte gat in M ​​87. Deze Perseus-studie is ook ongeveer honderd keer krachtiger dan de huidige metingen die in laboratoria hier op aarde kunnen worden uitgevoerd voor het bereik van massa's dat ze hebben overwogen.

Duidelijk, een mogelijke interpretatie van dit werk is dat axion-achtige deeltjes niet bestaan. Een andere verklaring is dat de deeltjes nog lagere convertibiliteitswaarden hebben dan de detectielimiet van deze waarneming, en lager dan sommige deeltjesfysici hadden verwacht. Ze kunnen ook hogere massa's hebben dan gemeten met de Chandra-gegevens.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, verscheen op 10 februari, 2020 nummer van The Astrofysisch tijdschrift .