Materia întunecată reprezintă unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii moderne – pentru a o descoperi au fost construite detectoare complexe, dar şi mari acceleratoare de particule. Până la ora actuală însă nici urmă de particule de „materie întunecată”.

O nouă simulare efectuată la Jülich Supercomputing Centre arată cum că axionii, posibile particule de materie întunecată, ar putea fi mult mai masivi decât se credea până acum.

Mare parte din comunitatea fizicienilor care se ocupă de studiul particulelor elementare este în căutarea materiei întunecate. Materia întunecată ar fi compusă din particule nedescoperite până acum, care alcătuiesc însă mare parte din materia din Univers şi exercită atracţie gravitaţională care determină formarea structurilor şi evoluţia Universului.

Multe experimente vânează această materie, atât la acceleratoare, cât şi în laboratoare subterane – fără succes până la ora actuală.

Una dintre particulele candidate de a reprezenta materia întunecată este axionul. Ipoteza privind existenţa acestei particule a fost avansată în 1977 pentru a rezolva, iniţial, un paradox legat de modul în care forţa nucleară tare (cea care leagă particulele în nucleele atomilor de exemplu) afectează materia şi antimateria. Introdusă deci pentru un scop diferit, oamenii de ştiinţă au realizat cum că axionul ar putea rezolva două probleme dintr-o dată: pe lângă paradoxul amintit, această particulă ar putea explica materia întunecată. Numărul enorm de axioni care s-ar găsi în Univers ar alcătui deci materia întunecată (sau mare parte din aceasta).

Calculele iniţiale au prevăzut o masă pentru axioni extrem de mică: circa 5 microelectronvolt (5 µeV), deci cam de 100 de miliarde de ori mai mică decât masa electronului!

Mare parte din experimentele subterane şi la acceleratoare nu căută însă axioni, ci aşa-numitele WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) – particule cu masă mult mai mare, a căror existenţă este prevăzută de exemplu în modelele supersimetrice.

Pentru a descoperi axionii au fost construite detectoare dedicate, precum ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), în cadrul căruia într-un cilindru metalic în care este aplicat un câmp magnetic deosebit de intens axionii s-ar transforma în fotoni care ar putea fi măsuraţi. Acest experiment a început achiziţia de date în 1996 la Lawrence Livermore National Laboratory în California, mutându-se la University of Washington în Seattle în 2010.

ADMX însă nu a descoperit până la ora actuală nici un axion.

Pe 2 noiembrie 2016 a apărut în revista Nature un articol publicat de Zoltan Fodor de la Universitatea din Wuppertal (Germania), Nature doi:10.1038/nature.2016.20925,  în care acesta prezintă rezultatele unei simulări efectuate la Jülich Supercomputing Centre în care obţine un rezultat foarte interesant: masa axionilor ar putea să fie mult mai mare decât se credea până acum. Masa pe care a calculat-o Fodor este între 50 şi 1500 µeV. ADMX este sensibil la mase între 0.5 şi 40 µeV, deci nu ar fi capabil să descopere axioni cu masa aşa de mare ca cea obţinută de Fodor în simulările sale.

ADMX trebuie deci aruncat?

Deocamdată nu, întrucât simulările efectuate au plecat de la ipoteza cum că axionii au luat naştere după perioada de inflaţie a Universului (acea perioadă imediat după Big Bang în care expansiunea Universului a fost exponenţiala). Dacă axionii însă ar fi luat naştere înainte de inflaţie masa acestora nu a putut fi calculată, cel puţin până la ora actuală, de programele de simulare, procesul fiind mult mai complex. În acest al doilea caz masa axionilor ar putea să fie mult mai mică şi, deci, aceştia mai devreme sau mai târziu ar fi descoperiţi de experimentele dedicate căutării axionilor precum ADMX.

Pe lângă ADMX există şi alte experimente, precum MADMAX în Coreea de Sud, la ora actuală în faza de construcţie, care sunt sensibile la mase mai mari ale axionilor.

Rezultatele simulărilor efectuate de Fodor vor fi verificate de alte grupuri de teoreticieni, întrucât masa axionilor este determinantă în momentul în care se construiesc experimente dedicate pentru descoperirea acestora – experimentele sunt sensibile doar pentru un anumit interval de mase, fiind complet insensibile pentru mase diferite.

Axionii reprezintă deci particule propuse pentru a rezolva dintr-o dată două probleme ale fizicii moderne, un motiv în plus pentru a intensifica eforturile de a-i descoperi.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro.