Obserwacje ruchu neutronów i atomów metali ciężkich w ultraniskich temperaturach wykazały, że najlżejsze formy aksionów, cząstki „lekkiej” ciemnej materii, w zasadzie nie mogą istnieć, co po raz kolejny skomplikowało jego poszukiwania - wynika z artykułu opublikowanego w czasopiśmie Physical Review X …
„Te wyniki otwierają nowe okno do poszukiwań ciemnej materii. Wskazują, że aksjony w zasadzie nie mogą istnieć w bardzo szerokim zakresie mas i energii, co wyraźnie zmniejsza pole, w którym musimy szukać śladów tej tajemniczej substancji. Można powiedzieć, że nasze poszukiwania zaczynają się teraz od nowa”- powiedział Nicholas Ayres z University of Sussex (Wielka Brytania).
Naukowcy przez długi czas wierzyli, że wszechświat składa się z materii, którą widzimy i która stanowi podstawę wszystkich gwiazd, czarnych dziur, mgławic, gromad pyłu i planet. Jednak pierwsze obserwacje prędkości ruchu gwiazd w pobliskich galaktykach wykazały, że gwiazdy na ich obrzeżach poruszają się w nich z niewiarygodnie dużą prędkością, która była około 10 razy większa niż wykazały obliczenia oparte na masach wszystkich gwiazd w nich.
Przyczyną tego, zdaniem dzisiejszych naukowców, była tak zwana ciemna materia - tajemnicza substancja, która stanowi około 75% masy materii we Wszechświecie. Zwykle każda galaktyka ma około 8-10 razy więcej ciemnej materii niż jej widzialny kuzyn, a ta ciemna materia utrzymuje gwiazdy w miejscu i zapobiega ich rozpraszaniu.
Dziś prawie wszyscy naukowcy są przekonani o istnieniu ciemnej materii, ale jej właściwości, oprócz oczywistego wpływu grawitacji na galaktyki i gromady galaktyk, pozostają tajemnicą i przedmiotem kontrowersji wśród astrofizyków i kosmologów. Przez długi czas naukowcy zakładali, że składa się on z superciężkich i „zimnych” cząstek - „mięczaków”, które nie manifestują się w żaden sposób, z wyjątkiem przyciągania widocznych skupisk materii.
Nieudane poszukiwania „WIMP-ów” w ciągu ostatnich dwudziestu lat doprowadziły wielu teoretyków do przekonania, że ciemna materia może w rzeczywistości być „lekka i puszysta” i składać się z tak zwanych aksionów - ultralekkich cząstek o masie i właściwościach podobnych do neutrin.
Ayres i jego koledzy faktycznie przypadkowo odkryli, że najlżejsze typy aksionów, o których często mówią teoretycy, w zasadzie nie mogą istnieć, analizując wyniki eksperymentu CryoEDM, który jest niezwykle daleki od kosmologii i ciemnej materii.
Projekt ten, zdaniem fizyka, został uruchomiony dwie dekady temu, aby dokładnie zmierzyć jedną z najmniejszych wielkości podstawowych - moment dipolowy neutronów. Mówiąc tym słowem, fizycy rozumieją, w jaki sposób obszary z ładunkami dodatnimi i ujemnymi są rozmieszczone wewnątrz neutronu i czy neutron jest rzeczywiście cząstką całkowicie obojętną elektrycznie.
Film promocyjny:
W CryoEDM fizycy próbują znaleźć moment dipolowy neutronu, obserwując, jak „zupa” pojedynczych atomów rzadkiego izotopu rtęci i neutronów reaguje na nagłe zmiany kierunku i natężenia pola elektrycznego, w którym się znajdują. Jeśli neutron ma moment dipolowy, to jego spin będzie „szarpał” w szczególny sposób, gdy pole się „odwraca”, co można „zobaczyć” obserwując, jak zmienia się polaryzacja cząstki.
Analizując dane uzyskane przez detektory CryoEDM w pierwszym okresie ich pracy, naukowcy zauważyli, że dokładność tych obserwacji była na tyle duża, że na zachowanie atomów rtęci i neutronów silny wpływ miałyby interakcje ich cząstek subatomowych z aksonami. Innymi słowy, jeśli aksjony istnieją, będą powodować inny rodzaj oscylacji, a ich siła będzie bezpośrednio zależeć od masy cząstek ciemnej materii.
Jak wykazała wielokrotna analiza danych CryoEDM, nic podobnego nie zaobserwowano w zachowaniu rtęci i neutronów, co wskazuje na fundamentalny brak najlżejszych wersji aksionów, których masa jest miliony, dziesiątki miliardów razy mniejsza niż elektronu.
Takie wyniki, jak podkreśla Ayrs, nie wykluczają możliwości istnienia innych typów aksjonów, ale zauważalnie zawężają wielkość pola, gdzie ich istnienie pozostaje dopuszczalne z naukowego punktu widzenia. Jest całkiem możliwe, że ciemna materia nie składa się z cząstek superciężkich lub ultralekkich podobnych do materii widzialnej, ale ma zupełnie inny charakter, czego jeszcze nie odgadliśmy - konkludują autorzy artykułu.