Scienziati dell'Università del Sussex hanno smentito l'esistenza di un tipo specifico di asione - un'importante particella candidata di "materia oscura" - in un'ampia gamma delle sue possibili masse.

I dati sono stati raccolti da un consorzio internazionale, la collaborazione Neutron Electric Dipole Moment (nEDM), il cui esperimento ha sede presso il Paul Scherrer Institut in Svizzera. I dati sono stati presi lì e, prima, all'Institut Laue-Langevin di Grenoble.

Professor Philip Harris, Direttore di Scienze Matematiche e Fisiche presso l'Università del Sussex, e capo del gruppo nEDM lì, disse:

"Gli esperti concordano ampiamente sul fatto che una parte importante della massa nell'universo sia costituita da 'materia oscura'. La sua natura, però, rimane completamente oscuro. Un tipo di ipotetica particella elementare che potrebbe costituire la materia oscura è il cosiddetto assione. Se esistono assioni con le proprietà giuste, sarebbe possibile rilevare la loro presenza attraverso questa analisi completamente nuova dei nostri dati.

"Abbiamo analizzato le misurazioni che abbiamo effettuato in Francia e Svizzera e forniscono la prova che gli assioni - almeno del tipo che sarebbe stato osservabile nell'esperimento - non esistono. Questi risultati sono mille volte più sensibili dei precedenti e si basano su misurazioni di laboratorio piuttosto che su osservazioni astronomiche.Ciò non esclude fondamentalmente l'esistenza di assioni, ma l'ambito delle caratteristiche che queste particelle potrebbero avere è ora nettamente limitato.

"I risultati essenzialmente rimandano i fisici al tavolo da disegno nella nostra caccia alla materia oscura".

Per decenni si è creduto che le particelle di assioni potessero costituire almeno una parte della "materia oscura", la roba che sappiamo essere nel nostro universo ma che non può essere vista. Le assioni sono importanti perché trovandole, se esistono, potrebbe contenere la chiave del perché l'universo ha molta materia ma relativamente poca antimateria. Uguali quantità di materia e antimateria sarebbero state create all'inizio dell'universo, e tutto avrebbe dovuto annientarsi a vicenda, ma l'Universo ora ha chiaramente molta materia – ma essenzialmente nessuna antimateria – rimasta; non capiamo perché.

Questo è il primo esperimento che utilizza apparecchiature di laboratorio, piuttosto che osservazioni astronomiche, per indagare su questo tipo di assioni. In precedenza, i fisici stavano gradualmente restringendo la gamma delle possibili masse dell'assone attraverso esperimenti basati su telescopi. La ricerca pubblicata oggi spazza via un'intera fascia di potenziali masse. Di conseguenza, i teorici delle particelle che tentano di spiegare le origini dell'Universo e la natura della materia oscura dovranno tornare al tavolo da disegno mentre rivedono, vincolare e mettere a punto i loro modelli. Un importante punto di riferimento è stato fissato per future ricerche sperimentali; e altri esperimenti, lavorare su argomenti correlati, potranno analizzare i loro dati in questo nuovo modo per estendere ulteriormente la sensibilità.

I dati sono stati raccolti per un altro scopo – vedere perché l'universo è dominato dalla materia e non dall'antimateria – quando si è capito che le misurazioni potevano essere utilizzate anche per cercare la presenza di assioni. L'esperimento ha funzionato intrappolando neutroni, quindi applicando un'alta tensione al loro contenitore per vedere se ha influenzato la velocità con cui ruotano. Un cambiamento in questo tasso indicherebbe che hanno una struttura distorta - e cambiamenti in quella distorsione nel tempo (da minuti ad anni) indicherebbero che c'erano assioni presenti. Non sono state riscontrate distorsioni di questo tipo, e quindi non sono state rilevate assioni. Lo stesso esperimento nEDM è un "classico" nella fisica delle particelle, avendo corso in una forma o nell'altra con sempre maggiore sensibilità dal 1950, ed escludendo molte teorie lungo la strada. È una delle misurazioni più sensibili che è possibile effettuare, e le misurazioni guidate dal Sussex hanno fornito la migliore sensibilità al mondo ininterrottamente dal 1999.

Nicholas Ayres, uno studente laureato presso la School of Mathematical and Physical Sciences dell'Università del Sussex e co-leader di questa particolare analisi, disse:

"Questi risultati aprono un nuovo fronte nella caccia alla materia oscura. Confutano l'esistenza di assioni con un'ampia gamma di masse e quindi aiutano a limitare la varietà di particelle che potrebbero essere candidate per la materia oscura. Ed è fantastico vedere che questi i risultati, che venivano raccolti per un altro scopo, potevano essere usati anche come piggyback per la ricerca di assioni".

Il professor Philip Harris spiega come i dati potrebbero essere utilizzati per cercare gli assioni e per il loro scopo originale:

"Nel nostro esperimento originale abbiamo preso una singola misurazione e l'abbiamo ripetuta molte volte per determinare il valore medio per un lungo periodo di tempo. Quando cerchiamo gli assioni, osserviamo se la misura fluttua nel tempo con una frequenza costante. Se è così, sarebbe la prova che c'è stata una qualche interazione tra il neutrone e l'assione. Non l'abbiamo mai visto. "

L'esperimento non esclude del tutto l'esistenza degli assioni. in primo luogo, gli assioni dovrebbero aver interagito abbastanza fortemente con i neutroni per poter individuare qualsiasi cambiamento nella sua velocità di rotazione. In secondo luogo, la loro massa potrebbe essere maggiore o minore del previsto. lo fa, però, fornire nuovi importanti vincoli, e indica la via verso future vie di indagine per aiutare a risolvere uno dei grandi misteri in sospeso della cosmologia. Questi esperimenti danno un contributo importante alla ricerca della materia oscura.

La carta, "Cerca la materia oscura simile ad Axion attraverso la precessione di spin nucleare nei campi elettrici e magnetici, " è pubblicato in Revisione fisica X .