Søgningen efter mørkt stof-aksioner har stadigt færre steder at skjule

Hvis de findes, aksioner, blandt kandidaterne til partikler i mørkt stof, kunne interagere med det stof, der består af universet, men i et meget svagere omfang end tidligere teoretiseret. Ny, strenge begrænsninger for aksioners egenskaber er blevet foreslået af et internationalt team af forskere.

Den seneste analyse af målinger af ultrakølede neutrons elektriske egenskaber, offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgang X , har ført til overraskende konklusioner. På grundlag af data indsamlet i Electric Dipole Moment of Neutron (nEDM) eksperimentet, en international gruppe af fysikere demonstrerede, at aksioner, hypotetiske partikler, der kan omfatte koldt mørkt stof, ville skulle overholde meget strengere begrænsninger end tidligere antaget med hensyn til deres masse og måde at interagere med almindeligt stof. Resultaterne er de første laboratoriedata, der pålægger grænser for aksioners potentielle interaktioner med nukleoner (dvs. protoner eller neutroner) og gluoner (partiklerne, der binder kvarker i nukleoner).

"Målinger af det elektriske dipolmoment for neutroner er blevet udført af vores internationale gruppe i godt et dusin år. I det meste af denne tid har ingen af ​​os havde mistanke om, at spor, der er forbundet med potentielle partikler af mørkt stof, kan være skjult i de indsamlede data. Først for nylig, teoretikere har foreslået en sådan mulighed, og vi benyttede ivrigt lejligheden til at verificere hypoteserne om aksioners egenskaber, "siger Dr. Adam Kozela (IFJ PAN), en af ​​deltagerne i forsøget.

Mørkt stof blev først foreslået for at forklare stjerners bevægelser inden for galakser og galakser inden for galaktiske klynger. Pioner inden for statistisk forskning om stjernebevægelser var den polske astronom Marian Kowalski. I 1859, han bemærkede, at bevægelser af nærliggende stjerner ikke kun kunne forklares ved solens bevægelse. Dette var det første observationsbevis, der tyder på Mælkevejens rotation. Kowalski er således manden, der "rystede fundamentet" i galaksen. I 1933, den schweiziske astronom Fritz Zwicky gik et skridt videre. Han analyserede strukturernes bevægelser i Coma -galaksehoben ved hjælp af flere metoder. Derefter bemærkede han, at de bevægede sig, som om der var en meget større mængde stof i deres omgivelser, end astronomer observerede.

Astronomer mener, at der burde være næsten 5,5 gange så meget mørkt stof i universet som almindeligt stof, som baggrundsmikrobølgestrålingsmålinger antyder. Men arten af ​​mørkt stof er stadig ukendt. Teoretikere har konstrueret mange modeller, der forudsiger eksistensen af ​​partikler, der er mere eller mindre eksotiske, som kan stå for mørkt stof. Blandt kandidaterne er aksioner. Disse ekstremt lette partikler ville interagere med almindeligt stof næsten udelukkende via tyngdekraften. Nuværende modeller forudsiger, at i visse situationer en foton kan ændre sig til en aksion, og efter noget tid, transformere tilbage til en foton. Dette hypotetiske fænomen er grundlaget for de berømte "belysning gennem en væg" eksperimenter. Disse involverer at lede en intens laserstråle mod en tyk forhindring, og observere de fotoner, der ændres til aksioner, der trænger ind i væggen. Efter at have passeret igennem, nogle af aksionerne kunne blive fotoner igen, med funktioner præcis som dem, der oprindeligt var rettet mod barrieren.

Eksperimenter relateret til måling af neutroners elektriske dipolmoment har intet at gøre med fotoner. I forsøg udført i over 10 år, forskere målte ændringer i frekvensen af ​​kernemagnetisk resonans (NMR) for neutroner og kviksølvatomer i et vakuumkammer i nærvær af elektrisk, magnetiske og gravitationsfelter. Disse målinger gjorde det muligt for forskerne at drage konklusioner om neutronens og kviksølvatoms prækession, og følgelig på deres dipolmomenter.

Teoretiske værker er dukket op i de senere år, der forestiller muligheden for, at aksioner interagerer med gluoner og nukleoner. Afhængig af aksionernes masse, disse interaktioner kan resultere i mindre eller større forstyrrelser med karakteren af ​​svingninger af dipol elektriske momenter af nukleoner, eller endda hele atomer. Forudsigelserne betød, at eksperimenter udført som led i nEDM -samarbejdet kunne indeholde værdifuld information om eksistensen og egenskaberne af potentielle partikler af mørkt stof.

"I dataene fra eksperimenterne på PSI, vores kolleger, der foretog analysen, ledte efter frekvensændringer med perioder i størrelsesordenen minutter, og i resultaterne fra ILL - i rækkefølgen af ​​dage. Sidstnævnte ville dukke op, hvis der var en aksionvind, det er, hvis aksionerne i det nærliggende jordrum bevægede sig i en bestemt retning. Da Jorden snurrer, på forskellige tidspunkter af dagen ville vores måleudstyr ændre sin orientering i forhold til aksionvinden, og dette bør resultere i cyklisk, daglige ændringer i svingningerne registreret af os, "forklarer Dr. Kozela.

Resultaterne af søgningen viste sig at være negative. Intet spor af eksistensen af ​​aksioner med masser mellem 10 ^-24 og 10 ^-17 der blev fundet elektronvolt (til sammenligning:massen af ​​en elektron er mere end en halv million elektronvolt). Ud over, det lykkedes forskerne at stramme de begrænsninger, som teorien pålægger aksioner med nukleoner med 40 gange. I tilfælde af potentielle interaktioner med gluoner, begrænsningerne er steget mere end 1000 gange. Så hvis der findes aksioner, i de nuværende teoretiske modeller, de har færre steder at skjule.