Waarnemingen van de beweging van neutronen en atomen van zware metalen bij ultralage temperaturen hebben aangetoond dat de lichtste vormen van axionen, deeltjes van 'lichte' donkere materie, in principe niet kunnen bestaan, wat de zoektocht opnieuw bemoeilijkte, volgens een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review X …
“Deze resultaten openen een nieuw venster voor de zoektocht naar donkere materie. Ze geven aan dat axions in principe niet kunnen bestaan in een zeer breed scala aan massa's en energieën, wat het veld waar we naar sporen van deze mysterieuze substantie moeten zoeken merkbaar verkleint. We kunnen zeggen dat onze zoektocht nu opnieuw begint”, zegt Nicholas Ayres van de Universiteit van Sussex (VK).
Wetenschappers geloofden lange tijd dat het universum bestaat uit de materie die we zien en die de basis vormt van alle sterren, zwarte gaten, nevels, stofclusters en planeten. Maar de eerste waarnemingen van de bewegingssnelheid van sterren in nabije sterrenstelsels toonden aan dat de sterren aan hun rand erin bewegen met een onmogelijk hoge snelheid, die ongeveer 10 keer hoger was dan berekeningen op basis van de massa van alle sterren erin.
De reden hiervoor was, volgens wetenschappers van vandaag, de zogenaamde donkere materie - een mysterieuze substantie die goed is voor ongeveer 75% van de massa van materie in het heelal. Typisch heeft elk sterrenstelsel ongeveer 8-10 keer meer donkere materie dan zijn zichtbare neef, en deze donkere materie houdt de sterren op hun plaats en voorkomt dat ze zich verspreiden.
Tegenwoordig zijn bijna alle wetenschappers overtuigd van het bestaan van donkere materie, maar de eigenschappen ervan, naast de duidelijke gravitatie-invloed op sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, blijven een mysterie en een onderwerp van controverse onder astrofysici en kosmologen. Wetenschappers hebben lange tijd aangenomen dat het is samengesteld uit superzware en ‘koude’ deeltjes - ‘watjes’ die zich op geen enkele manier manifesteren, behalve door zichtbare clusters van materie aan te trekken.
De mislukte zoektocht naar "WIMP's" in de afgelopen twee decennia heeft veel theoretici ertoe gebracht te geloven dat donkere materie eigenlijk "licht en donzig" kan zijn en bestaat uit zogenaamde axions - ultralichte deeltjes die qua massa en eigenschappen vergelijkbaar zijn met neutrino's.
Ayres en zijn collega's ontdekten eigenlijk per ongeluk dat de lichtste soorten axionen, waar theoretici vaak over praten, in principe niet kunnen bestaan, door de resultaten van het CryoEDM-experiment te analyseren, dat extreem ver verwijderd is van kosmologie en donkere materie.
Dit project is volgens de natuurkundige twintig jaar geleden gelanceerd om een van de kleinste fundamentele grootheden nauwkeurig te meten: het neutronendipoolmoment. Met dit woord begrijpen natuurkundigen hoe de gebieden met positieve en negatieve ladingen binnen het neutron worden verdeeld en of het neutron echt een volledig elektrisch neutraal deeltje is.
Promotie video:
In CryoEDM proberen natuurkundigen het dipoolmoment van het neutron te vinden door te observeren hoe een "soep" van enkele atomen van een zeldzame isotoop van kwik en neutronen reageert op abrupte veranderingen in de richting en sterkte van het elektrische veld waarin ze zich bevinden. Als het neutron een dipoolmoment heeft, zal zijn spin op een speciale manier "schokken" wanneer het veld "omklapt", wat kan worden "gezien" door te observeren hoe de polarisatie van het deeltje verandert.
Bij het analyseren van de gegevens die werden verkregen door de CryoEDM-detectoren tijdens de eerste periode van hun werk, merkten wetenschappers op dat de nauwkeurigheid van deze waarnemingen zo hoog was dat het gedrag van kwik- en neutronenatomen sterk zou worden beïnvloed door de interacties van hun subatomaire deeltjes met axions. Met andere woorden, als er axionen bestaan, zullen ze nog een soort oscillaties veroorzaken, en hun sterkte zal rechtstreeks afhangen van de massa van donkere materiedeeltjes.
Zoals blijkt uit herhaalde analyse van de CryoEDM-gegevens, werd niets van die aard waargenomen in het gedrag van kwik en neutronen, wat wijst op de fundamentele afwezigheid van de lichtste versies van axions, waarvan de massa miljoenen en tientallen miljarden keren minder is dan die van een elektron.
Dergelijke resultaten, zoals Ayrs benadrukt, sluiten de mogelijkheid van het bestaan van andere soorten axions niet uit, maar verkleinen de grootte van het veld, waar hun bestaan toelaatbaar blijft vanuit het oogpunt van de wetenschap. Het is heel goed mogelijk dat donkere materie niet bestaat uit superzware of ultralichte deeltjes die lijken op zichtbare materie, maar een totaal andere aard heeft, waarover we nog niet geraden hebben, concluderen de auteurs van het artikel.
