En av fysikens största idéer är möjligheten att alla kända krafter, partiklar, och interaktioner kan kopplas samman i ett ramverk. Strängteori är utan tvekan det mest kända förslaget till en "teori om allt" som skulle knyta samman vår förståelse av det fysiska universum.

Trots att många olika versioner av strängteori har cirkulerat i fysiksamhället i årtionden, det har varit väldigt få experimentella tester. Astronomer som använder NASA:s Chandra X-ray Observatory, dock, har nu tagit ett betydande steg framåt på detta område.

Genom att söka igenom galaxhopar, de största strukturerna i universum som hålls samman av gravitationen, forskare kunde jaga efter en specifik partikel som många modeller av strängteori förutsäger skulle finnas. Även om den resulterande icke-detekteringen inte utesluter strängteori helt, det ger ett slag för vissa modeller inom den idéfamiljen.

"Tills nyligen hade jag ingen aning om hur mycket röntgenastronomer tillför bordet när det kommer till strängteori, men vi kan spela en stor roll, " sa Christopher Reynolds från University of Cambridge i Storbritannien, som ledde studien. "Om dessa partiklar så småningom upptäcks skulle det förändra fysiken för alltid."

Partikeln som Reynolds och hans kollegor letade efter kallas en "axion". Dessa ännu oupptäckta partiklar bör ha utomordentligt låga massor. Forskare vet inte det exakta massintervallet, men många teorier visar axionsmassor som sträcker sig från ungefär en miljondel av en elektrons massa ner till noll massa. Vissa forskare tror att axioner kan förklara mysteriet med mörk materia, som står för den stora majoriteten av materia i universum.

En ovanlig egenskap hos dessa partiklar med ultralåg massa skulle vara att de ibland kan omvandlas till fotoner (det vill säga, ljuspaket) när de passerar genom magnetfält. Motsatsen kan också gälla:fotoner kan också omvandlas till axioner under vissa förhållanden. Hur ofta denna växling sker beror på hur lätt de gör denna konvertering, med andra ord, på deras "konvertibilitet".

Vissa forskare har föreslagit att det finns en bredare klass av partiklar med ultralåg massa med liknande egenskaper som axioner. Axioner skulle ha ett enda konvertibilitetsvärde vid varje massa, men "axionsliknande partiklar" skulle ha ett omvandlingsintervall vid samma massa.

"Även om det kan låta som ett långt skott att leta efter små partiklar som axioner i gigantiska strukturer som galaxhopar, de är faktiskt bra ställen att titta på, " sa medförfattare David Marsh vid Stockholms universitet i Sverige. "Galaxhopar innehåller magnetiska fält över gigantiska avstånd, och de innehåller också ofta ljusa röntgenkällor. Tillsammans ökar dessa egenskaper chanserna att omvandling av axionliknande partiklar skulle kunna detekteras."

För att leta efter tecken på omvandling av axionliknande partiklar, teamet av astronomer undersökte under fem dagar av Chandra-observationer av röntgenstrålar från material som faller mot det supermassiva svarta hålet i mitten av Perseus galaxhop. De studerade Chandra-spektrumet, eller mängden röntgenstrålning som observeras vid olika energier, av denna källa. Den långa observationen och den ljusa röntgenkällan gav ett spektrum med tillräcklig känslighet för att ha visat förvrängningar som forskarna förväntade sig om axionliknande partiklar fanns närvarande.

Bristen på detektering av sådana förvrängningar gjorde det möjligt för forskarna att utesluta förekomsten av de flesta typer av axionliknande partiklar i det massintervall som deras observationer var känsliga för, under ungefär en miljondels miljarddel av en elektrons massa.

"Vår forskning utesluter inte förekomsten av dessa partiklar, men det hjälper definitivt inte deras fall, ", sa medförfattaren Helen Russell från University of Nottingham i Storbritannien. "Dessa begränsningar gräver in i utbudet av egenskaper som föreslås av strängteorin, och kan hjälpa strängteoretiker att rensa bort sina teorier."

Det senaste resultatet var ungefär tre till fyra gånger känsligare än den tidigare bästa sökningen efter axionliknande partiklar, som kom från Chandra-observationer av det supermassiva svarta hålet i M87. Denna Perseus-studie är också ungefär hundra gånger kraftfullare än strömmätningar som kan utföras i laboratorier här på jorden för den mängd massor som de har övervägt.

Klart, en möjlig tolkning av detta arbete är att axionliknande partiklar inte existerar. En annan förklaring är att partiklarna har ännu lägre konvertibilitetsvärden än denna observations detektionsgräns, och lägre än vissa partikelfysiker har förväntat sig. De kan också ha högre massor än undersökt med Chandra-data.

En artikel som beskrev dessa resultat publicerades den 10 februari, 2020 års nummer av The Astrofysisk tidskrift .