In de jaren zeventig, natuurkundigen ontdekten een probleem met het standaardmodel van de deeltjesfysica - de theorie die drie van de vier fundamentele natuurkrachten beschrijft (elektromagnetische, zwak, en sterke interacties; de vierde is de zwaartekracht). Ze vonden dat, terwijl de theorie voorspelt dat een symmetrie tussen deeltjes en krachten in ons heelal en een spiegelversie moet worden verbroken, de experimenten zeggen anders. Deze mismatch tussen theorie en waarnemingen wordt 'het sterke CP-probleem' genoemd - CP staat voor Charge+Parity. Wat is het CP-probleem, en waarom heeft het wetenschappers bijna een halve eeuw in verwarring gebracht?

In het standaardmodel, elektromagnetisme is symmetrisch onder C (ladingsconjugatie), die deeltjes vervangt door antideeltjes; P (pariteit), die alle deeltjes vervangt door hun spiegelbeeld-tegenhangers; en, T (tijdomkering), die interacties die vooruitgaan in de tijd vervangt door interacties die teruggaan in de tijd, evenals combinaties van de symmetrie-operaties CP, CT, PT, en CPT. Dit betekent dat experimenten die gevoelig zijn voor de elektromagnetische interactie, niet in staat zouden moeten zijn om de originele systemen te onderscheiden van de systemen die zijn getransformeerd door een van de bovengenoemde symmetrie-operaties.

In het geval van de elektromagnetische interactie, de theorie sluit goed aan bij de waarnemingen. Als verwacht, het probleem ligt in een van de twee kernkrachten - de sterke interactie. Zoals het blijkt, de theorie staat schendingen toe van de gecombineerde symmetrie-operatie CP (deeltjes reflecteren in een spiegel en dan deeltje veranderen in antideeltje) voor zowel de zwakke als de sterke interactie. Echter, CP-schendingen zijn tot nu toe alleen waargenomen voor de zwakke interactie.

Specifieker, voor de zwakke interacties, CP-schending vindt plaats bij ongeveer de 1-in-1, 000 niveau, en veel wetenschappers verwachtten een vergelijkbaar niveau van schendingen voor de sterke interacties. Toch hebben experimentatoren uitgebreid naar CP-schendingen gezocht, maar het mocht niet baten. Als het zich voordoet in de sterke interactie, het wordt onderdrukt met meer dan een factor een miljard (10 ⁹ ).

1977, theoretische fysici Roberto Peccei en Helen Quinn stelden een mogelijke oplossing voor:ze veronderstelden een nieuwe symmetrie die CP-schendende termen onderdrukt in de sterke interactie, waardoor de theorie overeenkomt met de waarnemingen. Kort daarna, Steven Weinberg en Frank Wilczek - die beiden in 1979 en 2004 de Nobelprijs voor de natuurkunde wonnen, respectievelijk - realiseerde zich dat dit mechanisme een geheel nieuw deeltje creëert. Wilczek noemde dit nieuwe deeltje uiteindelijk het 'axion, ' naar een populair afwasmiddel met dezelfde naam, vanwege zijn vermogen om het sterke CP-probleem op te ruimen.

Het axion moet een extreem licht deeltje zijn, buitengewoon talrijk zijn, en hebben geen lading. Door deze kenmerken, axions zijn uitstekende kandidaten voor donkere materie. Donkere materie maakt ongeveer 85 procent uit van de massa-inhoud van het heelal, maar de fundamentele aard ervan blijft een van de grootste mysteries van de moderne wetenschap. De ontdekking dat donkere materie uit axionen bestaat, zou een van de grootste ontdekkingen van de moderne wetenschap zijn.

In 1983, theoretisch fysicus Pierre Sikivie ontdekte dat axionen nog een andere opmerkelijke eigenschap hebben:in de aanwezigheid van een elektromagnetisch veld, ze moeten soms spontaan worden omgezet in gemakkelijk detecteerbare fotonen. Wat ooit als volledig ondetecteerbaar werd beschouwd, bleek potentieel detecteerbaar zolang er een voldoende hoge concentratie van axionen en sterke magnetische velden is.

Enkele van de sterkste magnetische velden van het heelal omringen neutronensterren. Omdat deze objecten ook erg massief zijn, ze zouden ook grote aantallen axion-donkere materiedeeltjes kunnen aantrekken. Daarom hebben natuurkundigen voorgesteld om te zoeken naar axionsignalen in de omliggende gebieden van neutronensterren. Nutsvoorzieningen, een internationaal onderzoeksteam, waaronder het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) postdoc Oscar Macias, heeft precies dat gedaan met twee radiotelescopen - de Robert C. Byrd Green Bank Telescope in de VS, en de Effelsberg 100-m Radio Telescoop in Duitsland.

De doelen van deze zoektocht waren twee nabije neutronensterren waarvan bekend is dat ze sterke magnetische velden hebben, evenals het centrum van de Melkweg, die naar schatting een half miljard neutronensterren herbergt. Het team bemonsterde radiofrequenties in het 1-GHz-bereik, overeenkomend met axion-massa's van 5-11 micro-elektron-volt. Aangezien er geen signaal werd gezien, het team was in staat om de sterkste limieten tot nu toe op te leggen aan axion-donkere materiedeeltjes van een paar micro-elektron-volt-massa.