Kan antimateria och mörk materias djupa mysterier kopplas samman? Tänker att de kan vara, forskare från det internationella BASE-samarbetet, ledd av Stefan Ulmer från RIKEN Cluster for Pioneering Research, och medarbetare har utfört de första laboratorieexperimenten för att avgöra om ett något annorlunda sätt på vilket materia och antimateria interagerar med mörk materia kan vara en nyckel till att lösa båda mysterierna.

Mörk materia och antimateria är båda irriterande problem för fysiker som försöker förstå hur vår värld fungerar på en grundläggande nivå.

Problemet med antimateria är att även om Big Bang borde ha skapat lika mängder materia och antimateria, det observerbara universum består endast av materia. Antimateria skapas varje dag i experiment och genom naturliga processer som blixtnedslag, men det utplånas snabbt vid kollisioner med vanlig materia. Förutsägelser visar att vår förståelse av materiainnehållet i universum är försämrad med nio storleksordningar, och ingen vet varför asymmetrin existerar.

När det gäller mörk materia, det är känt från astronomiska observationer att någon okänd massa påverkar stjärnornas banor i galaxer, men de exakta mikroskopiska egenskaperna hos dessa partiklar är fortfarande okända. En teori är att de är en typ av hypotetisk partikel som kallas en axion, som har en viktig roll i att förklara bristen på symmetribrott i den starka interaktionen i standardmodellen för partikelfysik.

BASE-gruppens medarbetare undrade om avsaknaden av antimateria kan bero på att den interagerar annorlunda med mörk materia, och försökte testa detta. För experimentet, de använde en specialdesignad enhet, kallas en Penning-fälla, att magnetiskt fånga en enda antiproton, hindrar den från att komma i kontakt med vanliga materier och förintas. De mätte sedan en egenskap hos antiprotonen som kallas dess spinprecessionsfrekvens. I vanliga fall, detta bör vara konstant i ett givet magnetfält, och en modulering av denna frekvens kan förklaras av en effekt som medieras av axionliknande partiklar, som är hypotesiska kandidater för mörk materia.

Första författaren till studien, Christian Smorra, säger, "För första gången, vi har uttryckligen sökt efter en interaktion mellan mörk materia och antimateria, och även om vi inte hittade någon skillnad, vi sätter en ny övre gräns för den potentiella interaktionen mellan mörk materia och antimateria."

Med blicken mot framtiden, Stefan Ulmer från RIKEN-klustret för banbrytande forskning, som är talesperson för BASE Collaboration, säger, "Från och med nu, vi planerar att ytterligare förbättra noggrannheten i våra mätningar av antiprotonens spinprecessionsfrekvens, låter oss sätta strängare begränsningar på den grundläggande invariansen av laddning, paritet och tid, och för att göra sökandet efter mörk materia ännu känsligare."

Verket publicerades i Natur .