Als ze bestaan, axies, onder de kandidaten voor donkere materiedeeltjes, zou kunnen interageren met de materie waaruit het universum bestaat, maar in een veel zwakkere mate dan eerder werd getheoretiseerd. Nieuw, strenge beperkingen op de eigenschappen van axionen zijn voorgesteld door een internationaal team van wetenschappers.

De laatste analyse van metingen van de elektrische eigenschappen van ultrakoude neutronen, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordeling X , heeft tot verrassende conclusies geleid. Op basis van gegevens verzameld in het Electric Dipole Moment of Neutron (nEDM) experiment, een internationale groep natuurkundigen heeft aangetoond dat axions, hypothetische deeltjes die koude donkere materie kunnen bevatten, zouden moeten voldoen aan veel strengere beperkingen dan eerder werd aangenomen met betrekking tot hun massa en manieren van interactie met gewone materie. De resultaten zijn de eerste laboratoriumgegevens die grenzen stellen aan de mogelijke interacties van axionen met nucleonen (d.w.z. protonen of neutronen) en gluonen (de deeltjes die quarks in nucleonen binden).

"Metingen van het elektrische dipoolmoment van neutronen worden al een tiental jaren uitgevoerd door onze internationale groep. Gedurende het grootste deel van deze tijd, niemand van ons vermoedde dat sporen die verband houden met potentiële deeltjes donkere materie verborgen zouden kunnen zijn in de verzamelde gegevens. Alleen recentelijk, theoretici hebben een dergelijke mogelijkheid gesuggereerd en we hebben gretig van de gelegenheid gebruik gemaakt om de hypothesen over de eigenschappen van axions te verifiëren, " zegt Dr. Adam Kozela (IFJ PAN), een van de deelnemers aan het experiment.

Donkere materie werd voor het eerst voorgesteld om de bewegingen van sterren in sterrenstelsels en sterrenstelsels binnen galactische clusters te verklaren. De pionier van statistisch onderzoek naar sterbewegingen was de Poolse astronoom Marian Kowalski. in 1859, hij merkte op dat de bewegingen van nabije sterren niet alleen konden worden verklaard door de beweging van de zon. Dit was het eerste waarnemingsbewijs dat de rotatie van de Melkweg suggereerde. Kowalski is dus de man die "de grondvesten schudde" van de melkweg. 1933, de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky ging nog een stap verder. Hij analyseerde de bewegingen van structuren in het Coma-sterrenstelsel met behulp van verschillende methoden. Hij merkte toen dat ze bewogen alsof er een veel grotere hoeveelheid materie in hun omgeving was dan door astronomen werd waargenomen.

Astronomen geloven dat er bijna 5,5 keer zoveel donkere materie in het universum zou moeten zijn als gewone materie, zoals metingen van de achtergrondmicrogolfstraling suggereren. Maar de aard van donkere materie is nog onbekend. Theoretici hebben veel modellen geconstrueerd die het bestaan ​​voorspellen van deeltjes die min of meer exotisch zijn, wat mogelijk de oorzaak is van donkere materie. Onder de kandidaten zijn axions. Deze extreem lichte deeltjes zouden bijna uitsluitend via de zwaartekracht in wisselwerking staan ​​met gewone materie. Huidige modellen voorspellen dat in bepaalde situaties, een foton kan veranderen in een axion, en na een tijdje, weer transformeren in een foton. Dit hypothetische fenomeen ligt aan de basis van de beroemde "verlichting door een muur"-experimenten. Deze omvatten het richten van een intense straal laserlicht op een dik obstakel, en het observeren van die fotonen die veranderen in axions die de muur binnendringen. Na het passeren, sommige axionen kunnen weer fotonen worden, met kenmerken die precies lijken op die welke oorspronkelijk op de barrière waren gericht.

Experimenten met betrekking tot het meten van het elektrische dipoolmoment van neutronen hebben niets met fotonen te maken. In experimenten die gedurende meer dan 10 jaar zijn uitgevoerd, wetenschappers maten veranderingen in de frequentie van nucleaire magnetische resonantie (NMR) van neutronen en kwikatomen in een vacuümkamer in aanwezigheid van elektrische, magnetische en zwaartekrachtvelden. Met deze metingen konden de onderzoekers conclusies trekken over de precessie van neutronen en kwikatomen, en bijgevolg op hun dipoolmomenten.

De afgelopen jaren zijn theoretische werken verschenen die de mogelijkheid voor ogen hebben dat axionen interageren met gluonen en nucleonen. Afhankelijk van de massa van de axionen, deze interacties kunnen leiden tot kleinere of grotere verstoringen met het karakter van oscillaties van dipool elektrische momenten van nucleonen, of zelfs hele atomen. De voorspellingen betekenden dat experimenten die werden uitgevoerd in het kader van de nEDM-samenwerking waardevolle informatie zouden kunnen bevatten over het bestaan ​​en de eigenschappen van potentiële deeltjes donkere materie.

"In de gegevens van de experimenten bij PSI, onze collega's die de analyse uitvoerden, zochten naar frequentieveranderingen met perioden in de orde van minuten, en in de resultaten van IBL - in de orde van dagen. De laatste zou verschijnen als er een axionwind was, dat is, als de axions in de nabije ruimte van de aarde in een bepaalde richting zouden bewegen. Omdat de aarde draait, op verschillende tijdstippen van de dag zou onze meetapparatuur van richting veranderen ten opzichte van de axionwind, en dit moet resulteren in cyclische, dagelijkse veranderingen in de door ons geregistreerde trillingen, " legt dr. Kozela uit.

De resultaten van de zoektocht bleken negatief. Geen spoor van het bestaan ​​van axions met massa's tussen 10 ^-24 en 10 ^-17 elektronvolt gevonden (ter vergelijking:de massa van een elektron is meer dan een half miljoen elektronvolt). In aanvulling, de wetenschappers slaagden erin de beperkingen die de theorie oplegde aan de interactie van axionen met nucleonen met 40 keer aan te scherpen. In het geval van mogelijke interacties met gluonen, de beperkingen zijn meer dan 1000 keer verhoogd. Dus als axions bestaan, in de huidige theoretische modellen, ze hebben minder plekken om zich te verstoppen.