Particulele numite axioni pot explica materia întunecată

O particulă minusculă care acționează ca un val câștigă teren ca explicație pentru materia întunecată, potrivit unei perechi de recenzii științifice publicate în această săptămână.

Particulele teoretice numite axioni ar putea fi cel mai bun pariu al oamenilor de știință pentru a explica materia întunecată – chestiile evazive care reprezintă 85% din toată materia din univers care abia interacționează cu materia noastră „obișnuită”. Două recenzii noi arată cum această particulă a trecut de la locul secund la reflectoare în ultimii ani. Teoriile din jurul materiei întunecate au evoluat pentru a face aceste particule mai convingătoare, spun rapoartele. Ei explorează, de asemenea, modul în care oamenii de știință ar putea fi capabili să detecteze axionii. Ambele rapoarte au fost publicate săptămâna aceasta în Progresele științei.

Dacă axionii sunt materie întunecată, atunci „există axioni care trec prin tine chiar acum”, dar nu observi pentru că abia interacționează, spune Francesca Chadha-Day, fizician la Universitatea Durham din Marea Britanie, care a condus revizuirea teoriei. Ea lucrează și la TOORAD, o colaborare cu detectoare de axioni.

Când a început să lucreze la axioni în urmă cu un deceniu, acestea erau mai mult un candidat marginal la materia întunecată, spune ea. Ele au devenit mai proeminente de când, în mare parte din cauza a ceea ce spune ea a fost „eșecul Marelui Ciocnitor de Hadroni sau al oricărui detector de materie întunecată” de a găsi explicația favorită a materiei întunecate de zeci de ani, așa-numita interacțiune slabă. particule masive (WIMPS).

Ambele sunt particule teoretice, subatomice, greu de identificat. Deci, care este diferența dintre axions și WIMPS?

WIMPS sunt puțin mai substanțiale – sunt particule neutre mari, grele, care sunt cam ca centrul unui atom greu, spune Gray Rybka, fizician și purtător de cuvânt al Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) de la Universitatea din Washington, care nu a fost implicat în nicio revizuire.

Prin contrast, axioanele sunt mai puțin masive, chiar mai ușoare decât cea mai ușoară particulă cunoscută numită neutrin. Fiind atât de ușoare, se comportă ciudat.

„Lucrul interesant despre axioni este că materia întunecată axionică se comportă mai mult ca un fel de câmp care acoperă întregul univers”, mai degrabă decât particulele individuale care se mișcă, spune Chadha-Day.

Fiecare obiect are ceea ce se numește dualitate val-particulă, adică lucrurile acționează într-o oarecare măsură ca o undă și într-o oarecare măsură ca o particulă. De exemplu, ceva minuscul, precum un electron, poate acționa ca o particulă, care se împușcă prin spațiu și se ciocnește cu alte particule, cum ar fi bile de biliard. Dar poate acționa și ca un val, combinându-se cu alte valuri și neexistând cu siguranță într-un singur loc la un moment dat. Dar cu cât obiectul este mai greu, cu atât acest efect este mai puțin pronunțat – cu atât acționează mai mult ca o particule. Ca parte a acestei naturi ondulatorii, axioanele ar trebui să interacționeze slab cu lumina și atunci când sunt înconjurate de un câmp magnetic. Dacă există, axionii se pot converti în fotoni, care sunt particule de lumină, iar fotonii înapoi în axioni.

Revizuirea teoriei este „un rezumat bun al gândurilor”, spune Rybka. WIMPS și axions au fost prezentate cu câteva decenii în urmă ca explicații pentru materia întunecată aproximativ în același timp, spune Rybka. Nu sunt singurii candidați pentru materia întunecată, dar sunt cei mai proeminenți.

„La acea vreme, comunitatea prefera în mare parte WIMPS”, deoarece acestea erau mai ușor de privit cu tehnologia existentă, spune Rybka. După ce a căutat WIMPS timp de trei decenii și nu a găsit nimic, „sunt oameni care s-au săturat de această idee”.

Teoria corzilor prezice că axiunile ar trebui să existe, ca o soluție la puzzle-ul echilibrării materiei și antimateriei în univers.

[Related: Astronomers may have found a galaxy that formed without dark matter]

O parte din motivul interesului tot mai mare pentru axioni este că cercetătorii au acum tehnologia pentru a le vâna. A existat „o înflorire de idei despre cum ai construi un experiment pe care să-l cauți [axions]”, spune Rybka. În ultimii câțiva ani, oamenii de știință au trecut de la conceperea de experimente pentru a detecta particulele la „a face căutări în care credem că avem șanse mari de descoperire”.

Până acum experimente precum ADMX au încercat să detecteze axionii prin construirea unei camere cu un câmp magnetic puternic și de o dimensiune specifică, astfel încât să rezoneze cu o anumită masă de axion. Este un fel de fel în care două instrumente de dimensiuni diferite – o vioară versus un violoncel – ar fredona în timp ce captează sunete ambientale diferite de înălțime mai mare sau mai joasă. Această rezonanță ar face ca mai mulți axioni să se transforme în fotoni în cavitate, spune Chadha-Day, iar detectoarele extrem de sensibile le-ar capta.

ADMX este sensibil doar la axioni dintr-un interval restrâns de mase posibile. Cu toate acestea, experienții s-au gândit la modalități inteligente de a realiza detectoare care ar putea capta o gamă mai largă de mase axionice, spune Chadha-Day. Acest lucru este important pentru că „nu există niciun motiv pentru care universul ar fi drăguț cu noi” și să facă din axiuni o masă ușor de căutat, spune ea.

Astronomii ar putea observa, de asemenea, axioanele din spațiu, uitându-se la două locuri cheie care găzduiesc câmpuri magnetice: clustere de galaxii și stele neutronice. Axiunile ar schimba spectrul luminii care iese din materia care cade în găurile negre din inimile galaxiilor. De asemenea, ar determina stelele cu neutroni să emită mai multă lumină decât se aștepta în frecvențe radio.

Dacă aceste experimente în curs și viitoare nu găsesc axioni în locurile pe care oamenii de știință se așteaptă, teoreticienii vor trebui să se întoarcă la planșa de desen. Dar dacă sunt detectate axionii, Rybka spune, în sfârșit, „vom ști ce este materia întunecată”.

Leave a Comment