Om de finns, axioner, bland kandidaterna för partiklar i mörk materia, kan interagera med materia som består av universum, men i mycket svagare omfattning än tidigare teoretiserat. Ny, strikta begränsningar av axionernas egenskaper har föreslagits av ett internationellt team av forskare.

Den senaste analysen av mätningar av ultrakylda neutrons elektriska egenskaper, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Fysisk granskning X , har lett till överraskande slutsatser. På grundval av data som samlats in i experimentet Electric Dipole Moment of Neutron (nEDM), en internationell grupp fysiker visade att axioner, hypotetiska partiklar som kan innehålla kall mörk materia, skulle behöva följa mycket strängare begränsningar än man tidigare trott med avseende på deras massa och sätt att interagera med vanlig materia. Resultaten är de första laboratoriedata som sätter gränser för axionernas potentiella interaktioner med nukleoner (dvs. protoner eller neutroner) och gluoner (partiklarna som binder kvarker i nukleoner).

"Mätningar av det elektriska dipolmomentet för neutroner har utförts av vår internationella grupp i ett bra dussin eller så år. Under större delen av denna tid har ingen av oss misstänkte att några spår i samband med potentiella partiklar av mörk materia kan döljas i den insamlade informationen. Bara nyligen, teoretiker har föreslagit en sådan möjlighet och vi passade ivrigt på att verifiera hypoteserna om axionernas egenskaper, "säger Dr. Adam Kozela (IFJ PAN), en av deltagarna i experimentet.

Mörk materia föreslogs först för att förklara stjärnornas rörelser inom galaxer och galaxer inom galaktiska kluster. Pionjären inom statistisk forskning om stjärnrörelser var den polska astronomen Marian Kowalski. År 1859, han märkte att rörelser från närliggande stjärnor inte enbart kunde förklaras av solens rörelse. Detta var det första observationsbevis som tyder på att Vintergatan roterar. Kowalski är alltså mannen som "skakade galaxens grundvalar". År 1933, den schweiziska astronomen Fritz Zwicky gick ett steg längre. Han analyserade strukturernas rörelser i Coma -galaxklustret med hjälp av flera metoder. Han märkte sedan att de rörde sig som om det fanns en mycket större mängd materia i deras omgivning än det som observerats av astronomer.

Astronomer tror att det borde finnas nästan 5,5 gånger så mycket mörk materia i universum som vanlig materia, som bakgrundsmätningar i mikrovågsstrålning föreslår. Men den mörka materiens natur är fortfarande okänd. Teoretiker har konstruerat många modeller som förutsäger förekomsten av partiklar som är mer eller mindre exotiska, som kan stå för mörk materia. Bland kandidaterna finns axioner. Dessa extremt lätta partiklar skulle interagera med vanligt material nästan uteslutande via gravitationen. Nuvarande modeller förutspår att i vissa situationer, en foton kan förändras till en axion, och efter en tid, förvandlas tillbaka till en foton. Detta hypotetiska fenomen är grunden för det berömda "belysning genom en vägg" -experiment. Dessa innebär att en intensiv laserstråle riktas mot ett tjockt hinder, och observera de fotoner som förändras till axioner som tränger in i väggen. Efter att ha passerat, några av axionerna kan bli fotoner igen, med funktioner precis som de som ursprungligen riktades mot barriären.

Experiment relaterade till att mäta det elektriska dipolmomentet för neutroner har ingenting att göra med fotoner. I experiment som genomförts i över 10 år, forskare mätte förändringar i frekvensen av kärnmagnetisk resonans (NMR) för neutroner och kvicksilveratomer i en vakuumkammare i närvaro av elektriska, magnetiska och gravitationella fält. Dessa mätningar gjorde det möjligt för forskarna att dra slutsatser om neutronens och kvicksilveratoms precession, och följaktligen på deras dipolmoment.

Teoretiska verk har dykt upp under de senaste åren som tänker sig möjligheten att axioner interagerar med gluoner och nukleoner. Beroende på axionernas massa, dessa interaktioner kan resultera i mindre eller större störningar med karaktären av oscillationer av dipol elektriska moment i nukleoner, eller till och med hela atomer. Prognoserna innebar att experiment som genomfördes som en del av nEDM -samarbetet kunde innehålla värdefull information om existensen och egenskaperna hos potentiella partiklar av mörk materia.

"I data från experimenten vid PSI, våra kollegor som utför analysen letade efter frekvensförändringar med perioder i minuter, och i resultaten från ILL - i antal dagar. Den senare skulle dyka upp om det fanns en axionvind, det är, om axionerna i det nära jordrummet rörde sig i en specifik riktning. Eftersom jorden snurrar, vid olika tidpunkter på dagen skulle vår mätutrustning ändra dess orientering i förhållande till axionvinden, och detta bör resultera i cykliska, dagliga förändringar i svängningarna som registrerats av oss, "förklarar Dr Kozela.

Resultaten av sökningen visade sig vara negativa. Inga spår av förekomsten av axioner med massor mellan 10 ^-24 och 10 ^-17 elektronvolt hittades (för jämförelse:massan av en elektron är mer än en halv miljon elektronvolt). Dessutom, vetenskapsmännen lyckades skärpa de begränsningar som teorin sätter på växelverkan mellan axioner och nukleoner med 40 gånger. Vid potentiella interaktioner med gluoner, begränsningarna har ökat mer än 1000-faldigt. Så om axioner existerar, i de nuvarande teoretiska modellerna, de har färre ställen att gömma sig på.