Donkere materie is alleen bekend door zijn effect op massieve astronomische lichamen, maar moet nog direct worden waargenomen of zelfs worden geïdentificeerd. Een theorie over wat donkere materie zou kunnen zijn, suggereert dat het een deeltje zou kunnen zijn dat een axion wordt genoemd en dat deze kunnen worden gedetecteerd met op laser gebaseerde experimenten die al bestaan. Deze laserexperimenten zijn observatoria voor zwaartekrachtgolven.

Er wordt gejaagd op donkere materie. Er zijn veel theorieën over hoe het zou kunnen zijn, maar veel natuurkundigen geloven dat donkere materie een zwak interactief massief deeltje is, of WIMP. Wat dit betekent is dat het niet gemakkelijk in wisselwerking staat met gewone materie. We weten dat dit waar is omdat het nog niet direct is gezien. Maar het moet ook op zijn minst enige massa hebben, omdat zijn aanwezigheid kan worden afgeleid door zijn aantrekkingskracht.

Er zijn enorme inspanningen geleverd om WIMP-donkere materie te detecteren, onder meer met de Large Hadron Collider in Zwitserland, maar WIMP's zijn nog niet waargenomen. Een alternatief kandidaatdeeltje dat aandacht krijgt, is het axion.

"We nemen aan dat het axion erg licht is en nauwelijks interageert met onze bekende soorten materie. Daarom, het wordt beschouwd als een goede kandidaat voor donkere materie, " zei assistent-professor Yuta Michimura van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Tokio. "We kennen de massa van axionen niet, maar we denken meestal dat het een massa heeft die kleiner is dan die van elektronen. Ons universum is gevuld met donkere materie en er wordt geschat dat er 500 gram donkere materie in de aarde zit. over de massa van een eekhoorn."

Axions lijken een goede kandidaat voor donkere materie, maar aangezien ze slechts zeer zwak kunnen interageren met gewone materie, ze zijn buitengewoon moeilijk te detecteren. Dus bedenken natuurkundigen steeds ingewikkelder manieren om dit gebrek aan interactie te compenseren in de hoop de veelbetekenende signatuur van donkere materie te onthullen, die meer dan een kwart van het zichtbare heelal uitmaakt.

"Onze modellen suggereren dat axion donkere materie lichtpolarisatie moduleert, dat is de oriëntatie van de oscillatie van elektromagnetische golven, " legde Koji Nagano uit, een afgestudeerde student aan het Institute for Cosmic Ray Research aan de Universiteit van Tokyo. "Deze polarisatiemodulatie kan worden verbeterd als het licht vele malen heen en weer wordt gereflecteerd in een optische holte die bestaat uit twee parallelle spiegels die van elkaar verwijderd zijn. De bekendste voorbeelden van dit soort holtes zijn de lange tunnelarmen van zwaartekrachtgolven observatoria."

Onderzoek naar donkere materie krijgt niet zoveel aandacht of financiering als andere, meer toepasbare gebieden van wetenschappelijk onderzoek, er worden dus grote inspanningen geleverd om manieren te vinden om de jacht kosteneffectief te maken. Dit is relevant omdat bij andere theoretische manieren om axies te observeren, sprake is van extreem sterke magnetische velden die hoge kosten met zich meebrengen. Hier, onderzoekers suggereren dat bestaande observatoria voor zwaartekrachtgolven, zoals de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in de VS, Maagd in Italië of KAGRA in Japan zouden goedkoop kunnen worden aangepast om op axions te jagen zonder afbreuk te doen aan hun bestaande functies.

"Met onze nieuwe regeling, we zouden naar axionen kunnen zoeken door polarisatie-optiek toe te voegen voor fotodiodesensoren in zwaartekrachtgolfdetectoren, " beschreef Michimura. "De volgende stap die ik zou willen zien is de implementatie van optica voor een zwaartekrachtgolfdetector zoals KAGRA."

Dit idee is veelbelovend omdat de upgrades van de zwaartekrachtgolffaciliteiten de gevoeligheid waarop ze vertrouwen voor hun primaire functie niet zouden verminderen, dat is om verre zwaartekrachtgolven te detecteren. Er zijn pogingen gedaan met experimenten en waarnemingen om het axion te vinden, maar tot nu toe is er geen positief signaal gevonden. De door de onderzoekers voorgestelde methode zou veel nauwkeuriger zijn.

"Er is overweldigend astrofysisch en kosmologisch bewijs dat donkere materie bestaat, maar de vraag "Wat is donkere materie?" is een van de grootste openstaande problemen in de moderne natuurkunde, "zei Nagano. "Als we axionen kunnen detecteren en met zekerheid kunnen zeggen dat het donkere materie is, het zou inderdaad een heel spannend evenement zijn. Daar dromen natuurkundigen zoals wij van."