På 1970 -talet, fysiker upptäckte ett problem med standardmodellen för partikelfysik - teorin som beskriver tre av de fyra grundläggande naturkrafterna (elektromagnetisk, svag, och starka interaktioner; den fjärde är gravitationen). De fann att medan teorin förutsäger att en symmetri mellan partiklar och krafter i vårt universum och en spegelversion bör brytas, experimenten säger något annat. Denna missförhållande mellan teori och observationer kallas "Strong CP -problemet" - CP står för Charge+Parity. Vad är CP -problemet, och varför har det förbryllat forskare i nästan ett halvt sekel?

I standardmodellen, elektromagnetism är symmetrisk under C (laddningskonjugering), som ersätter partiklar med antipartiklar; P (paritet), som ersätter alla partiklar med sina spegelbildmotparter; och, T (tidsomvändning), som ersätter interaktioner som går framåt i tid med de som går bakåt i tiden, samt kombinationer av symmetrioperationerna CP, CT, PT, och CPT. Detta innebär att experiment som är känsliga för den elektromagnetiska interaktionen inte bör kunna skilja de ursprungliga systemen från de som har transformerats genom någon av de ovannämnda symmetrioperationerna.

Vid elektromagnetisk interaktion, teorin matchar observationerna mycket bra. Som väntat, problemet ligger i en av de två kärnkraften - den starka interaktionen. Som det visar sig, teorin tillåter kränkningar av den kombinerade symmetrioperationen CP (reflekterande partiklar i en spegel och sedan byte av partikel för antipartikel) för både den svaga och starka interaktionen. Dock, CP -kränkningar har hittills bara observerats för den svaga interaktionen.

Mer specifikt, för de svaga interaktionerna, CP-överträdelse inträffar vid ungefär 1-i-1, 000 nivå, och många forskare förväntade sig en liknande nivå av kränkningar för de starka interaktionerna. Ändå har experimentister letat efter CP -kränkningar i stor utsträckning men utan resultat. Om det sker i den starka interaktionen, det undertrycks med mer än en faktor på en miljard (10 ⁹ ).

1977, teoretiska fysiker Roberto Peccei och Helen Quinn föreslog en möjlig lösning:de antog en ny symmetri som undertrycker CP-kränkande termer i den starka interaktionen, vilket gör att teorin matchar observationerna. Kort efter, Steven Weinberg och Frank Wilczek - som båda vann Nobelpriset i fysik 1979 och 2004, - insåg att denna mekanism skapar en helt ny partikel. Wilczek kallade slutligen denna nya partikel för 'axion, 'efter ett populärt diskmedel med samma namn, för dess förmåga att städa upp det starka CP -problemet.

Axionen ska vara en extremt lätt partikel, vara utomordentligt riklig i antal, och har ingen avgift. På grund av dessa egenskaper, axioner är utmärkta kandidater för mörk materia. Mörk materia utgör cirka 85 procent av universums massainnehåll, men dess grundläggande natur är fortfarande en av den moderna vetenskapens största mysterier. Att upptäcka att mörk materia är gjord av axioner skulle vara en av de största upptäckterna av modern vetenskap.

1983, teoretiska fysikern Pierre Sikivie fann att axioner har en annan anmärkningsvärd egenskap:I närvaro av ett elektromagnetiskt fält, de bör ibland spontant konvertera till lätt detekterbara fotoner. Det som en gång ansågs vara helt oupptäckt, visade sig vara potentiellt detekterbar så länge det finns tillräckligt hög koncentration av axioner och starka magnetfält.

Några av universums starkaste magnetfält omger neutronstjärnor. Eftersom dessa föremål också är mycket massiva, de kan också locka till sig ett stort antal axionspartiklar av mörk materia. Så fysiker har föreslagit att leta efter axionsignaler i neutronstjärnornas omgivande områden. Nu, ett internationellt forskargrupp, inklusive Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) postdoc Oscar Macias, har gjort exakt det med två radioteleskop - Robert C. Byrd Green Bank Telescope i USA, och Effelsberg 100-m radioteleskop i Tyskland.

Målen för denna sökning var två närliggande neutronstjärnor som är kända för att ha starka magnetfält, liksom Vintergatans centrum, som beräknas vara värd en halv miljard neutronstjärnor. Teamet samplade radiofrekvenser i 1 GHz-området, motsvarande axelmassor på 5-11 mikro elektron-volt. Eftersom ingen signal sågs, laget kunde införa de starkaste gränserna hittills för axionpartiklar av mörk materia med några få mikronelektron-voltmassa.