Leder efter mørkt stof nær neutronstjerner med radioteleskoper

I 1970'erne, fysikere afdækkede et problem med standardmodellen for partikelfysik - teorien, der beskriver tre af de fire grundlæggende naturkræfter (elektromagnetisk, svag, og stærke interaktioner; den fjerde er tyngdekraften). De fandt ud af, at mens teorien forudsiger, at en symmetri mellem partikler og kræfter i vores univers og en spejlversion skal brydes, eksperimenterne siger andet. Denne uoverensstemmelse mellem teori og observationer kaldes 'det stærke CP -problem' - CP står for Charge+Parity. Hvad er CP -problemet, og hvorfor har det undret forskere i næsten et halvt århundrede?

I standardmodellen, elektromagnetisme er symmetrisk under C (ladningskonjugering), som erstatter partikler med antipartikler; P (paritet), som erstatter alle partiklerne med deres spejlbillede -modstykker; og, T (tidsomvendelse), som erstatter interaktioner, der går fremad i tiden med dem, der går baglæns i tiden, samt kombinationer af symmetrioperationer CP, CT, PT, og CPT. Dette betyder, at eksperimenter, der er fornuftige i forhold til den elektromagnetiske interaktion, ikke skal være i stand til at skelne de originale systemer fra dem, der er blevet transformeret ved nogen af ​​de førnævnte symmetrioperationer.

I tilfælde af den elektromagnetiske interaktion, teorien matcher observationerne meget godt. Som forventet, problemet ligger i en af ​​de to atomkræfter - det stærke samspil. Det viser sig, teorien tillader krænkelser af den kombinerede symmetrioperation CP (reflekterende partikler i et spejl og derefter skiftende partikel for antipartikel) for både den svage og stærke interaktion. Imidlertid, CP -krænkelser er hidtil kun blevet observeret for den svage interaktion.

Mere specifikt, for de svage interaktioner, CP-overtrædelse forekommer på cirka 1-i-1, 000 -niveau, og mange forskere forventede et lignende niveau af krænkelser for de stærke interaktioner. Alligevel har eksperimentelle eksperter i vid udstrækning ledt efter CP -overtrædelse, men uden held. Hvis det sker i den stærke interaktion, det undertrykkes med mere end en faktor på en milliard (10 ⁹ ).

I 1977, teoretiske fysikere Roberto Peccei og Helen Quinn foreslog en mulig løsning:de antog en ny symmetri, der undertrykker CP-krænkende termer i den stærke interaktion, hvilket får teorien til at matche observationerne. Kort efter, Steven Weinberg og Frank Wilczek - som begge vandt Nobelprisen i fysik i 1979 og 2004, henholdsvis - indset, at denne mekanisme skaber en helt ny partikel. Wilczek kaldte i sidste ende denne nye partikel 'aksionen, 'efter et populært opvaskemiddel med samme navn, for dens evne til at rydde op i det stærke CP -problem.

Axionen skal være en ekstremt let partikel, være ekstraordinært rigelige i antal, og har ingen beregning. På grund af disse egenskaber, aksioner er fremragende kandidater til mørkt stof. Mørkt stof udgør omkring 85 procent af universets masseindhold, men dens grundlæggende natur er fortsat et af de moderne videnskabers største mysterier. At finde ud af, at mørkt stof er lavet af aksioner, ville være en af ​​de største opdagelser af moderne videnskab.

I 1983, teoretiske fysiker Pierre Sikivie fandt ud af, at aksioner har en anden bemærkelsesværdig egenskab:I nærvær af et elektromagnetisk felt, de skulle undertiden spontant konvertere til let påviselige fotoner. Hvad man engang mente var helt uopdageligt, viste sig at være potentielt påviselig, så længe der er en høj nok koncentration af aksioner og stærke magnetfelter.

Nogle af universets stærkeste magnetfelter omgiver neutronstjerner. Da disse objekter også er meget massive, de kunne også tiltrække rigelige mængder axionpartikler af mørkt stof. Så fysikere har foreslået at søge efter aksionsignaler i de omkringliggende områder af neutronstjerner. Nu, et internationalt forskerhold, herunder Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) postdoc Oscar Macias, har gjort præcis det med to radioteleskoper - Robert C. Byrd Green Bank Telescope i USA, og Effelsberg 100-m radioteleskop i Tyskland.

Målene for denne søgning var to nærliggende neutronstjerner kendt for at have stærke magnetfelter, såvel som Mælkevejens centrum, der skønnes at være vært for en halv milliard neutronstjerner. Teamet tog stikprøver på radiofrekvenser i 1 GHz-området, svarende til aksionsmasser på 5-11 mikro elektron-volt. Da der ikke blev set noget signal, holdet var i stand til at indføre de hidtil stærkeste grænser for aksionpartikler af mørkt stof med få mikroelektron-volt masse.