20.09.2018
PL EN
15.02.2018 aktualizacja 15.02.2018

Poszukiwania ciemnej materii: coraz mniej kryjówek dla aksjonów

Rozmieszczenie ciemnej materii (w kolorze niebieskim) w sześciu gromadach galaktyk, odtworzone na podstawie zdjęć z kosmicznego teleskopu Hubble'a. (Źródło: NASA, ESA, STScI, and CXC) Rozmieszczenie ciemnej materii (w kolorze niebieskim) w sześciu gromadach galaktyk, odtworzone na podstawie zdjęć z kosmicznego teleskopu Hubble'a. (Źródło: NASA, ESA, STScI, and CXC)

Badania, w których brali udział Polacy, zawęziły zakres możliwych właściwości aksjonów - hipotetycznych cząstek tworzących ciemną materię. O nowych wynikach poinformował PAP Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

Gdyby aksjony – jedne z kandydatów na cząstki zagadkowej ciemnej materii – istniały, mogłyby oddziaływać z materią tworzącą nasz świat, jednak musiałyby to robić znacznie, znacznie słabiej niż się dotychczas wydawało.

Jak informuje Instytut Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w przesłanym PAP komunikacie prasowym, do zaskakujących wniosków doprowadziła najnowsza analiza pomiarów właściwości elektrycznych ultrazimnych neutronów, opublikowana w czasopiśmie naukowym "Physical Review X" (DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041034).

Na podstawie danych zebranych w eksperymencie nEDM (Electric Dipole Moment of Neutron) międzynarodowa grupa fizyków – w tym naukowcy z IFJ PAN i Uniwersytetu Jagiellońskiego – wykazała, że aksjony, gdyby istniały, musiałyby spełniać znacznie bardziej rygorystyczne niż dotychczas sądzono ograniczenia dotyczące ich masy i sposobów oddziaływania ze zwykłą materią.

Zaprezentowane wyniki są pierwszymi danymi laboratoryjnymi narzucającymi limity na potencjalne oddziaływania aksjonów z nukleonami (czyli protonami bądź neutronami) i gluonami (cząstkami spajającymi kwarki w nukleonach).

"Pomiary elektrycznego momentu dipolowego neutronów są prowadzone przez naszą międzynarodową grupę od dobrych kilkunastu lat. Przez większość tego czasu nikt z nas nie przypuszczał, że w zgromadzonych danych mogłyby się kryć jakiekolwiek 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" - opowiada cytowany w komunikacie prasowym dr hab. Adam Kozela z IFJ PAN, jeden z badaczy biorących udział w eksperymencie.

Na pierwsze ślady ciemnej materii natrafiono podczas analiz ruchów gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach galaktyk. Pionierem statystycznych badań ruchów gwiazd był polski astronom Marian Kowalski. Już w 1859 roku zauważył on, że ruchów bliskich nam gwiazd nie da się wytłumaczyć samym ruchem Słońca. Była to pierwsza przesłanka obserwacyjna sugerującą obrót Drogi Mlecznej.

W 1933 roku Szwajcar Fritz Zwicky poszedł o krok dalej. Kilkoma metodami przeanalizował ruchy obiektów w gromadzie galaktyk Coma. Zauważył wtedy, że poruszają się one tak, jakby w ich otoczeniu znajdowała się znacznie większa ilość materii niż dostrzegana przez astronomów.

Mimo dekad poszukiwań, do dziś nie jest znana natura ciemnej materii, której we Wszechświecie powinno być niemal 5,5 razy więcej niż zwykłej materii. Teoretycy skonstruowali mnóstwo 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.

Dotychczasowe modele przewidywały jednak dodatkowo, 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.

Eksperymenty związane z mierzeniem elektrycznego momentu dipolowego neutronów, prowadzone przez grupę naukowców z Australii, Belgii, Francji, Niemiec, Polski, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii, nie mają jednak nic wspólnego z fotonami. W prowadzonych od kilkunastu lat eksperymentach naukowcy mierzą zmiany częstotliwości magnetycznego rezonansu jądrowego (Nuclear Magnetic Resonanse, NMR) neutronów oraz atomów rtęci znajdujących się w komorze próżniowej, w obecności pól elektrycznego, magnetycznego i grawitacyjnego. Pomiary te pozwalają wyciągać wnioski o sposobach precesji neutronów i atomów rtęci, a w konsekwencji – o ich dipolowych momentach elektrycznych.

Ku zaskoczeniu wielu fizyków, 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 te 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 - tłumaczy dr Kozela. - 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."

W trakcie poszukiwań nie natrafiono jednak na żaden ślad istnienia aksjonów o masach między 10-24 a 10-17 elektronowolta (dla porównania: masa elektronu wynosi ponad pół miliona elektronowoltów).

Prócz tego 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.

PAP - Nauka w Polsce

kflo/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2018