Sinds enkele decennia is natuurkundigen en astrofysici hebben getheoretiseerd over het bestaan ​​van donkere materie in het universum. Dit ongrijpbare type materie zou bestaan ​​uit deeltjes die niet absorberen, licht reflecteren of uitstralen, en dat daarom niet kan worden gedetecteerd met conventionele instrumenten voor het waarnemen van deeltjes.

Een van de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie is het axion. Axions zijn hypothetische deeltjes die voor het eerst werden geïntroduceerd om ongebruikelijke waarnemingen met betrekking tot sterke nucleaire interacties te verklaren. Vervolgens, theoretische fysici hebben gesuggereerd dat axionen delen van de massa van het universum vormen die nog steeds niet zijn verklaard en dus in wezen donkere materie zouden kunnen zijn. Vanaf dat moment, talloze teams over de hele wereld hebben naar axions gezocht met behulp van een verscheidenheid aan krachtige en geavanceerde detectoren.

Een paar maanden geleden, een internationale onderzoeksgroep bekend als de XENON-samenwerking heeft nieuwe gegevens vrijgegeven die zijn verzameld door XENON1T, een gevoelige detector van interacties tussen donkere materie en gewone deeltjes. Deze gegevens bevatten een verrassende overdaad aan gebeurtenissen die een hint kunnen zijn van het bestaan ​​van deeltjes die nog nooit eerder zijn waargenomen, zoals zonne-axionen.

Onderzoekers van Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Universiteit van Barcelona, Barry University en Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) hebben onlangs de gegevens onderzocht die door de XENON1T-detector zijn verzameld in de hoop beter te begrijpen of de gedetecteerde overmaat zou kunnen, in feite, een manifestatie zijn van zonne-assen. De resultaten van hun analyses en hun overwegingen, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , lijken de mogelijkheid uit te sluiten dat zonne-axions achter de onverwachte waarnemingen van de XENON-samenwerking zitten.

"Toen het XENON1T-resultaat werd aangekondigd, we voerden een grondige studie uit van de effecten van axionemissie van verschillende astrofysische lichamen, " via e-mail, Luca di Luzio, Marco Fedele, Maurizio Giannotti, Federico Mescia en Enrico Nardi, de onderzoekers die het onderzoek hebben uitgevoerd, vertelde Phys.org, "We bevonden ons dus in een optimale situatie om ons gemakkelijk te realiseren dat de specifieke axion-eigenschappen die vereist zijn door de XENON1T-verklaring sterk in strijd waren met waarnemingen van stellaire evolutie."

In hun recente krant Di Luzio en zijn collega's laten zien dat de hypothese van zonne-axionen als het XENON1T-overschot niet geldt, omdat het botst met eerdere astrofysische waarnemingen. Hun hoop is dat door deze mogelijkheid uit te sluiten, hun werk zal andere teams aanmoedigen om alternatieve verklaringen te identificeren en te onderzoeken. Volgens de onderzoekers is de overmaat is veel waarschijnlijker het resultaat van een onopgelost probleem met de experimentele opstelling of een indicatie van een ander exotisch fysiek fenomeen.

"Zonne-axionen kunnen de afwijkende waarneming van XENON1T niet verklaren, simpelweg omdat, in vergelijking met andere soorten sterren die worden gekenmerkt door veel grotere kerndichtheden en temperaturen, de zon is niet erg efficiënt in het produceren van axionen, " legden de onderzoekers uit. "Als de waargenomen overmaat zou worden geïnterpreteerd als gevolg van zonne-axionen, een ander type sterren zou dan een overproductie van axions produceren, ze zouden schijnen als intense 'axion-vuurtorens, ' energie verliezen uit hun binnenste kernen met zo'n grote snelheid dat hun evolutie drastisch zou worden veranderd. Dit zou in ernstig conflict zijn met veel eerdere astronomische waarnemingen."

Een voorbeeld van astronomische gegevens die botsen met de zonne-axions-hypothese is de waarneming van stellaire populaties. Om het XENON1T-overschot te verklaren, in feite, zonne-axions zouden zo grote parameters moeten hebben dat een hele stellaire populatie, de zogenaamde Horizontal Branch (HB) sterren, zeer dun bevolkt zou zijn. Als dat het geval zou zijn, er mogen geen HB-sterren worden gevonden in de nabije bolhopen, waar onderzoekers er meerdere hebben ontdekt.

"Onze studie moet vooral worden begrepen als een bijdrage om de inspanningen van de gemeenschap op het goede spoor te houden, " zeiden de onderzoekers. "Het aanvankelijke enthousiasme voor een mogelijke 'axion-ontdekking' zou experimentele en theoretische inspanningen in een richting kunnen hebben geleid die is, in feite, een dood einde."

Naast het uitsluiten van de mogelijkheid dat zonne-axionen het XENON1T-overschot verklaren, het recente werk van Di Luzio en zijn collega's benadrukt het belang van het zorgvuldig overwegen van de astrofysische implicaties van axion-modellen bij het beoordelen van hun fenomenologische levensvatbaarheid. In hun krant benadrukken de onderzoekers het belang van de relatie tussen axions en astrofysica, aangezien het eerste bewijs van het bestaan ​​van axionen uiteindelijk rechtstreeks uit astrofysische waarnemingen zou kunnen komen.

Het team voert nu verder onderzoek uit naar de axionfysica. Deze onderzoeken richten zich op een breed scala aan onderwerpen, inclusief de kosmologische en astrofysische gevolgen van axions, axion-modelbouw en de fenomenologische aspecten van axion-onderzoeken uitgevoerd in zowel laboratorium- als grondexperimenten.

"Elk lid van onze samenwerking heeft specifieke vaardigheden in verschillende aspecten van axionfysica, " zeiden de onderzoekers. "Als een samenwerking, we voeren momenteel een grondige analyse uit van een groot aantal astrofysische waarnemingen, waarvan sommige intrigerende discrepanties vertonen tussen theoretische voorspellingen en waarnemingen. Hoewel afzonderlijk genomen het significantieniveau van elke anomalie tot dusver matig is, een globale analyse zou een consistent patroon kunnen onthullen, en zou kunnen wijzen op een verklaring in termen van een specifiek type axion."

© 2020 Wetenschap X Netwerk