Dodano: 16 luty 2018r.

Aksjony – cząstki tworzące ciemną materię mają coraz mniej kryjówek

Najnowsza analiza pomiarów właściwości ultrazimnych neutronów doprowadziła naukowców do zaskakujących wniosków. Międzynarodowa zespół fizyków, w którego składzie znaleźli się również Polacy, wykazał, że aksjony, gdyby faktycznie istniały, musiałyby spełniać znacznie bardziej rygorystyczne ograniczenia dot. ich masy, a ich oddziaływania ze zwykłą materią byłyby znacznie słabsze.

Rozmieszczenie ciemnej materii (na niebiesko) w sześciu gromadach galaktyk

 

Analiza pomiarów właściwości elektrycznych ultrazimnych neutronów została opublikowana na łamach „Physical Review X”. Współautorami publikacji są m.in. krakowscy naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) i Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Aksjony to hipotetyczne cząstki subatomowe, które mogą tworzyć ciemną materię. Zgodnie z przewidywaniami, nie mają one ładunku elektrycznego ani spinu. Nazwę nadał im amerykański fizyk polsko-włoskiego pochodzenia – Frank Wilczek, a sama nazwa pochodzi o marki pewnego proszku do prania.

Z kolei ciemna materia to także hipotetyczna materia, która według założeń nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach. Mimo lat poszukiwań jej istnienie nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest dokładna natura ciemnej materii i co ją tworzy. Według naukowców, ciemna materia stanowi około 27 proc. bilansu masy i energii otaczającego nas Wszechświata – obok zwykłej materii oraz ciemnej energii (która też jest hipotetyczną formą energii).

„Teoretycy skonstruowali całe zoo modeli przewidujących istnienie mniej lub bardziej egzotycznych cząstek mogących odpowiadać za istnienie ciemnej materii. Wśród kandydatów są m.in. aksjony. Gdyby istniały, te ekstremalnie lekkie cząstki oddziaływałyby ze zwykłą materią niemal wyłącznie grawitacyjnie. Niemal, gdyż dotychczasowe modele przewidywały, że w pewnych sytuacjach foton mógłby się zamienić w aksjon, a ten po pewnym czasie przekształcałby się z powrotem w foton. To hipotetyczne zjawisko było i jest podstawą słynnych eksperymentów „świecenia przez ścianę”. W ich trakcie naukowcy kierują intensywną wiązkę światła laserowego na grubą przeszkodę licząc, że przynajmniej nieliczne fotony zmienią się w aksjony, który przeniknęłyby przez ścianę bez większych problemów. Po przejściu przez ścianę niektóre aksjony mogłyby z powrotem stać się fotonami o cechach dokładnie takich jak fotony pierwotnie padające na ścianę” – czytamy na stronach IFJ PAN.

Wspomniana analiza została przeprowadzona na podstawie danych zebranych w eksperymencie nEDM (Electric Dipole Moment of Neutron). Naukowcy wykazali, że aksjony, gdyby istniały, musiałyby spełniać znacznie bardziej rygorystyczne niż dotychczas sądzono ograniczenia dotyczące ich masy i sposobów oddziaływania ze zwykłą materią.

Zespół naukowców prowadzi swoje badania od kilkunastu lat. Uczestniczący w pracach dr hab. Adam Kozela z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) przyznał, że badacze nie przypuszczali, że w danych przez nich zgromadzonych mogą kryć się ślady związane z potencjalnymi cząstkami ciemnej materii. - Dopiero niedawno teoretycy zasugerowali taką możliwość – a my skwapliwie skorzystaliśmy z okazji do zweryfikowania hipotez o właściwościach aksjonów – wyjaśnił Kozela.

Wspomniane przez naukowca prace teoretyczne przewidujące możliwość dodatkowego oddziaływania aksjonów z nukleonami (protonami bądź neutronami) i gluonami (cząstkami spajającymi kwarki w nukleonach). Oddziaływania te, w zależności od masy aksjonów, mogłyby skutkować mniejszymi lub większymi zaburzeniami o charakterze oscylacji dipolowych momentów elektrycznych nukleonów, a nawet całych atomów.

Dzięki badaniom naukowcom udało się 40-krotnie zaostrzyć ograniczenia narzucane przez teorię na oddziaływanie aksjonów z nukleonami. W przypadku potencjalnych oddziaływań z gluonami obostrzenia wzrosły jeszcze bardziej, ponad tysiąckrotnie. Jeśli więc aksjony istnieją - to w obecnych modelach teoretycznych mają coraz mniej miejsc, w których mogłyby się skrywać – informuje IFJ PAN.

 

Źródło: IFJ PAN, fot. NASA, ESA, STScI, CXC. Na zdjęciu widzimy rozmieszczenie ciemnej materii (na niebiesko) w sześciu gromadach galaktyk, odtworzone na podstawie zdjęć z kosmicznego teleskopu Hubble'a