Wetenschappers van de Universiteit van Sussex hebben het bestaan ​​van een specifiek type axion - een belangrijk kandidaat-deeltje van de 'donkere materie' - over een groot aantal mogelijke massa's weerlegd.

De gegevens zijn verzameld door een internationaal consortium, de Neutron Electric Dipole Moment (nEDM) samenwerking, wiens experiment is gebaseerd op het Paul Scherrer Institut in Zwitserland. Daar werden gegevens verzameld en eerder, aan het Institut Laue-Langevin in Grenoble.

Professor Philip Harris, Hoofd Wiskundige en Exacte Wetenschappen aan de Universiteit van Sussex, en hoofd van de nEDM-groep aldaar, zei:

"Experts zijn het er grotendeels over eens dat een groot deel van de massa in het universum uit 'donkere materie' bestaat. echter, blijft volkomen onoverzichtelijk. Een soort hypothetisch elementair deeltje dat de donkere materie zou kunnen vormen, is het zogenaamde axion. Als er axionen met de juiste eigenschappen bestaan, zou het mogelijk zijn om hun aanwezigheid te detecteren door middel van deze geheel nieuwe analyse van onze gegevens.

"We hebben de metingen geanalyseerd die we in Frankrijk en Zwitserland hebben gedaan en ze leveren het bewijs dat axions - tenminste het soort dat in het experiment waarneembaar zou zijn geweest - niet bestaan. Deze resultaten zijn duizend keer gevoeliger dan eerdere en ze zijn gebaseerd op laboratoriummetingen in plaats van astronomische waarnemingen.Dit sluit het bestaan ​​van axions niet fundamenteel uit, maar de reikwijdte van kenmerken die deze deeltjes zouden kunnen hebben, is nu duidelijk beperkt.

"De resultaten sturen natuurkundigen in wezen terug naar de tekentafel in onze jacht op donkere materie."

Decennialang werd aangenomen dat axiondeeltjes op zijn minst een deel van de 'donkere materie' zouden kunnen vormen - het spul waarvan we weten dat het zich in ons universum bevindt, maar dat niet kan worden gezien. Axions zijn belangrijk omdat het vinden ervan, als ze bestaan, zou de sleutel kunnen zijn tot waarom het universum veel materie heeft, maar relatief weinig antimaterie. Gelijke hoeveelheden materie en antimaterie zouden zijn gecreëerd toen het universum begon, en het zou allemaal wederzijds vernietigd moeten zijn, maar het heelal heeft nu duidelijk veel materie - maar in wezen geen antimaterie - over; we begrijpen niet waarom.

Dit is het eerste experiment waarbij laboratoriumapparatuur – in plaats van astronomische waarnemingen – wordt gebruikt om dit type axion te onderzoeken. Eerder, natuurkundigen hadden het bereik van mogelijke massa's van het axion geleidelijk verkleind door op telescoop gebaseerde experimenten. Het vandaag gepubliceerde onderzoek vernietigt een hele reeks potentiële massa's. Als resultaat, deeltjestheoretici die proberen de oorsprong van het heelal en de aard van donkere materie te verklaren, zullen terug moeten naar de tekentafel als ze herzien, beperken en afstemmen van hun modellen. Er is een belangrijke maatstaf vastgesteld voor toekomstige experimentele zoekopdrachten; en andere experimenten, werken in gerelateerde onderwerpen, zullen hun gegevens op deze nieuwe manier kunnen analyseren om de gevoeligheid verder uit te breiden.

De gegevens werden verzameld voor een ander doel - om te kijken waarom het universum wordt gedomineerd door materie en niet door antimaterie - toen men zich realiseerde dat de metingen ook konden worden gebruikt om naar de aanwezigheid van axionen te zoeken. Het experiment werkte door neutronen te vangen, vervolgens een hoge spanning op hun container aanleggen om te zien of dit de snelheid waarmee ze draaien beïnvloedde. Een verandering in deze snelheid zou erop wijzen dat ze een vervormde structuur hebben - en veranderingen in die vervorming in de tijd (van minuten tot jaren) zouden erop wijzen dat er axions aanwezig waren. Dergelijke vervormingen werden niet gezien, en daarom werden er geen axies gedetecteerd. Het nEDM-experiment zelf is een 'klassieker' in de deeltjesfysica, sinds 1950 in een of andere vorm met steeds toenemende gevoeligheid hebben gerend, en onderweg veel theorieën uitsluiten. Het is een van de meest gevoelige metingen die je kunt doen, en door Sussex geleide metingen hebben sinds 1999 continu de beste gevoeligheid ter wereld opgeleverd.

Nicolaas Ayres, een afgestudeerde student aan de School of Mathematical and Physical Sciences aan de University of Sussex en co-leider van deze specifieke analyse, zei:

"Deze resultaten openen een nieuw front in de jacht op donkere materie. Ze weerleggen het bestaan ​​van axionen met een breed scala aan massa's en helpen daarom de verscheidenheid aan deeltjes die kandidaten kunnen zijn voor donkere materie te beperken. En het is fantastisch om te zien dat deze resultaten - die voor een heel ander doel werden verzameld - zouden ook als meelifter kunnen worden gebruikt om naar axions te zoeken."

Professor Philip Harris legt uit hoe de gegevens kunnen worden gebruikt om zowel naar axionen te zoeken als voor het oorspronkelijke beoogde doel:

"In ons oorspronkelijke experiment hebben we een enkele meting gedaan en deze vele malen herhaald om de gemiddelde waarde over een lange tijd te bepalen. Als we naar axionen zoeken, we kijken of de meting met een constante frequentie fluctueert in de tijd. Als, het zou het bewijs zijn dat er enige interactie was geweest tussen het neutron en het axion. Dat hebben we nooit gezien. "

Het experiment sluit het bestaan ​​van axions niet helemaal uit. Ten eerste, de axionen zouden sterk genoeg met de neutronen moeten hebben gewisseld om een ​​verandering in de rotatiesnelheid te kunnen zien. Ten tweede, hun massa kan groter of kleiner zijn dan verwacht. Het doet, echter, zorgen voor belangrijke nieuwe beperkingen, en het wijst de weg voorwaarts naar toekomstige onderzoekswegen om een ​​van de grote onopgeloste mysteries van de kosmologie te helpen oplossen. Deze experimenten leveren een belangrijke bijdrage aan de zoektocht naar donkere materie.

De krant, "Zoek naar axionachtige donkere materie via nucleaire spin-precessie in elektrische en magnetische velden, " is gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .