Gdyby istniały, aksjony – jedne z kandydatów na cząstki zagadkowej ciemnej materii – mogłyby oddziaływać z materią tworzącą nasz świat, jednak musiałyby to robić znacznie, znacznie słabiej niż się dotychczas wydawało. Nowe, rygorystyczne ograniczenia na właściwości aksjonów narzucił międzynarodowy zespół naukowców odpowiedzialnych za eksperyment Electric Dipole Moment of Neutron (nEDM), w którym bierze udział międzynarodowa grupa fizyków, w tym badacze z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) i Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Do zaskakujących wniosków doprowadziła najnowsza analiza pomiarów właściwości elektrycznych ultrazimnych neutronów, opublikowana w czasopiśmie naukowym „Physical Review X”. Aanaliza danych zebranych w eksperymencie nEDM wykazała, że aksjony, hipotetyczne cząstki mogące tworzyć zimną, ciemną materię, gdyby istniały, musiałyby spełniać znacznie bardziej rygorystyczne niż dotychczas sądzono ograniczenia dotyczące ich masy i sposobów oddziaływania ze zwykłą materią.
W ostatnich latach pojawiły się prace teoretyczne przewidujące możliwość dodatkowego oddziaływania aksjonów: z gluonami i nukleonami. W zależności od masy aksjonów oddziaływania te mogłyby skutkować mniejszymi lub większymi zaburzeniami o charakterze oscylacji dipolowych momentów elektrycznych nukleonów, a nawet całych atomów. Przewidywania teoretyków oznaczały, że eksperymenty prowadzone w ramach współpracy nEDM mogą zawierać wartościowe informacje dotyczące istnienia i właściwości potencjalnych cząstek ciemnej materii.
– W danych z eksperymentów w PSI nasi koledzy prowadzący analizę szukali zmian częstotliwości o okresach rzędu minut, a w wynikach z ILL rzędu dni. Te ostatnie pojawiłyby się, gdyby istniał wiatr aksjonów, czyli gdyby aksjony w przestrzeni wokółziemskiej poruszały się w określonym kierunku. Skoro bowiem Ziemia wiruje, nasz sprzęt pomiarowy o różnych porach dnia zmieniałby swoją orientację względem wiatru aksjonów, a to powinno skutkować cyklicznymi, dobowymi zmianami w rejestrowanych przez nas oscylacjach – tłumaczy dr hab. Adam Kozela z IFJ PAN.
Wyniki poszukiwań okazały się negatywne: nie natrafiono na żaden ślad istnienia aksjonów o masach między 10-24 a 10-17 elektronowolta. Dodatkowo naukowcom udało się 40-krotnie zaostrzyć ograniczenia narzucane przez teorię na oddziaływanie aksjonów z nukleonami. W przypadku potencjalnych oddziaływań z gluonami obostrzenia wzrosły ponad tysiąckrotnie. Jeśli więc aksjony istnieją, w obecnych modelach teoretycznych mają coraz mniej miejsc, w których mogłyby się skrywać.
Zaprezentowane w „Physical Review X” wyniki są pierwszymi danymi laboratoryjnymi narzucającymi limity na potencjalne oddziaływania aksjonów z nukleonami (czyli protonami bądź neutronami) i gluonami (cząstkami spajającymi kwarki w nukleonach).
JK
(źródło: IFJ PAN)