Een hypothetisch deeltje dat een van de grootste puzzels in de kosmologie zou kunnen oplossen, is net iets minder mysterieus geworden. Een natuurkundige van RIKEN en twee collega's hebben de wiskundige onderbouwing onthuld die zou kunnen verklaren hoe zogenaamde axions snaarachtige entiteiten kunnen genereren die een vreemde spanning in laboratoriummaterialen creëren.

Axions werden voor het eerst voorgesteld in de jaren zeventig door natuurkundigen die de theorie van de kwantumchromodynamica bestudeerden, die beschrijft hoe sommige elementaire deeltjes bij elkaar worden gehouden in de atoomkern. Het probleem was dat deze theorie enkele bizarre eigenschappen voorspelde voor bekende deeltjes die niet worden waargenomen. Om dit op te lossen, natuurkundigen poneerden een nieuw deeltje - later het axion genoemd, na een merk wasmiddel, omdat het hielp bij het opruimen van een puinhoop in de theorie.

Natuurkundigen realiseerden zich al snel dat axions ook een kosmisch raadsel konden oplossen. Men denkt dat meer dan 80% van de materie in het heelal bestaat uit een mysterieuze onzichtbare substantie, donkere materie genoemd. "Axions zijn een kandidaat voor donkere materie, maar we hebben ze nog niet gevonden, " zegt Yoshimasa Hidaka, van het RIKEN Interdisciplinair Theoretische en Wiskundige Wetenschappen Programma. Axions heeft misschien de juiste eigenschappen, dus natuurkundigen hebben in talloze experimenten gezocht naar tekenen dat ze bestaan. In juni 2020, het XENON1T-experiment in het Gran Sasso-laboratorium in Italië meldde hints dat ze het axion mogelijk hebben gedetecteerd, maar dat resultaat moet nog worden bevestigd.

Maar er is nog een andere arena waar axion-eigenschappen kunnen worden bestudeerd. Natuurkundigen kunnen exotische materialen maken, topologische isolatoren genoemd, in het laboratorium, die vreemde eigenschappen vertonen, zoals het geleiden van elektriciteit op hun oppervlak terwijl ze elektrische isolatoren binnenin blijven. Dergelijke materialen vertonen ander vreemd gedrag. Soms, hun elektronen groeperen zich en bewegen op zo'n manier dat het materiaal lijkt te zijn gemaakt van "quasideeltjes" met ongebruikelijke eigenschappen. Hierdoor kan een onverwachte spanning over het materiaal ontstaan, het abnormale Hall-effect genoemd.

Het axion zal naar verwachting ook op deze manier ontstaan, in topologische isolatoren, waar het moet interageren met lichtdeeltjes, of fotonen, op een andere manier dan gewone deeltjes.

Hidaka en zijn twee collega's hebben nu de theorie onderzocht die de interactie tussen axionen en fotonen regelt. Ook al zijn axions puntachtige deeltjes, het team berekende dat binnen materialen, licht interageert eigenlijk met verlengde draadachtige configuraties gemaakt van axions, axionische snaren genoemd. Dat zou leiden tot het afwijkende Hall-effect, dat wordt waargenomen in experimenten.

"We hebben de onderliggende wiskundige structuur voor het fenomeen gevonden, ' zegt Hidaka.