Forskare vid University of Sussex har motbevisat förekomsten av en specifik axionstyp - en viktig kandidat "mörk materia" -partikel - över ett brett spektrum av dess möjliga massor.

Uppgifterna samlades in av ett internationellt konsortium, Neutron Electric Dipole Moment (nEDM) samarbete, vars experiment är baserat på Paul Scherrer Institut i Schweiz. Data togs dit och tidigare, vid Institut Laue-Langevin i Grenoble.

Professor Philip Harris, Chef för matematiska och fysiska vetenskaper vid University of Sussex, och chef för nEDM -gruppen där, sa:

"Experter är i stort sett överens om att en stor del av massan i universum består av" mörk materia ". Dess natur, dock, förblir helt oklar. En typ av hypotetisk elementär partikel som kan utgöra den mörka materien är den så kallade axionen. Om axioner med rätt egenskaper finns skulle det vara möjligt att upptäcka deras närvaro genom denna helt nya analys av våra data.

"Vi har analyserat de mätningar vi gjort i Frankrike och Schweiz och de ger bevis på att axioner - åtminstone den typ som skulle ha kunnat observeras i experimentet - inte existera. Dessa resultat är tusen gånger känsligare än tidigare och de baseras på laboratoriemätningar snarare än astronomiska observationer. Detta utesluter inte i grunden förekomsten av axioner, men omfattningen av egenskaper som dessa partiklar kan ha är nu tydligt begränsad.

"Resultaten skickar i huvudsak fysiker tillbaka till ritbordet i vår jakt på mörk materia."

Man har trott i decennier att axionpartiklar kan utgöra åtminstone en del av "mörk materia" - det vi vet finns i vårt universum men som inte kan ses. Axioner är viktiga för att hitta dem, om de finns, kan hålla nyckeln till varför universum har mycket materia men relativt lite antimateria. Lika mängder materia och antimateria skulle ha skapats när universum började, och allt borde ha ömsesidigt utplånats, men universum har uppenbarligen nu massor av materia - men i princip ingen antimateria - kvar; vi förstår inte varför.

Detta är det första experimentet för att använda laboratorieutrustning - snarare än astronomiska observationer - för att undersöka denna typ av axion. Tidigare, fysiker hade successivt minskat utbudet av möjliga massor av axionen genom teleskopbaserade experiment. Forskningen som publicerades idag utplånar en hel del potentiella massor. Som ett resultat, partikelteoretiker som försöker förklara universums ursprung och den mörka materiens natur måste gå tillbaka till ritbordet när de reviderar, begränsa och ställa in sina modeller. Ett viktigt riktmärke har fastställts för framtida experimentella sökningar; och andra experiment, arbetar med relaterade ämnen, kommer att kunna analysera sina data på detta nya sätt för att öka känsligheten ytterligare.

Data samlades in för ett annat syfte - för att titta på varför universum domineras av materia och inte antimateria - när man insåg att mätningarna också kunde användas för att söka efter förekomsten av axioner. Experimentet fungerade genom att fånga neutroner, sedan applicera en hög spänning på sin behållare för att se om det påverkade hastigheten med vilken de snurrar. En förändring i denna takt skulle indikera att de har en förvrängd struktur - och förändringar i den förvrängningen över tid (från minuter till år) skulle indikera att det fanns axioner närvarande. Inga sådana snedvridningar sågs, och därför detekterades inga axioner. NEDM -experimentet i sig är en "klassiker" inom partikelfysik, efter att ha kört i en eller annan form med en allt större känslighet sedan 1950, och utesluter många teorier längs vägen. Det är en av de mest känsliga mätningarna som det är möjligt att göra, och Sussex-ledda mätningar har gett världens bästa känslighet kontinuerligt sedan 1999.

Nicholas Ayres, en doktorand vid skolan för matematiska och fysiska vetenskaper vid University of Sussex och medledare för just denna analys, sa:

"Dessa resultat öppnar en ny front i jakten på mörk materia. De motbevisar förekomsten av axioner med ett stort antal massor och hjälper därför till att begränsa variationen av partiklar som kan vara kandidater för mörk materia. Och det är fantastiskt att se att dessa resultat - som helt och hållet samlades in för ett annat ändamål - kan också användas som en piggyback för att söka efter axioner. "

Professor Philip Harris förklarar hur data kan användas för att söka efter axioner och för dess ursprungliga avsedda ändamål:

"I vårt ursprungliga experiment tog vi en enda mätning och upprepade det många gånger för att bestämma medelvärdet under en lång tid. När vi letar efter axioner, vi tittar på om mätningen fluktuerar över tiden med en konstant frekvens. Om så är fallet, det skulle vara ett bevis på att det hade funnits en viss interaktion mellan neutronen och axionen. Det såg vi aldrig. "

Experimentet utesluter inte existensen av axioner helt. För det första, axionerna skulle behöva ha interagerat tillräckligt starkt med neutronerna för att någon förändring i dess rotationshastighet skulle kunna upptäckas. För det andra, deras massa kan antingen vara större eller mindre än väntat. Det gör det, dock, ge viktiga nya begränsningar, och den pekar vägen framåt mot framtida utredningsvägar för att hjälpa till att lösa ett av kosmologins stora enastående mysterier. Dessa experiment ger ett viktigt bidrag till sökandet efter mörk materia.

Pappret, "Sök efter Axionlike Dark Matter genom Nuclear Spin -precession inom elektriska och magnetiska fält, "publiceras i Fysisk granskning X .