Një aluzion i materies së errët i dërgon fizikanët të shikojnë në qiell

Përafërsisht 85% e masës në univers mungon – ne mund të konkludojmë ekzistencën e saj, thjesht nuk mund ta shohim atë. Me kalimin e viteve, janë propozuar një sërë shpjegimesh të ndryshme për këtë “materie të errët”, nga grimcat e pazbuluara deri te vrimat e zeza. Megjithatë, një ide në veçanti po tërheq vëmendjen. Dhe studiuesit po kthehen drejt qiellit për ta gjetur atë.

Aksione janë grimca hipotetike të lehta, ekzistenca e të cilave do të zgjidhte dy probleme kryesore. I pari, i ndërthurur që nga vitet 1960, është problemi i barazisë së ngarkesës së fortë (CP), i cili pyet pse kuarkët dhe gluonet që përbëjnë protonet dhe neutronet i binden një simetrie të caktuar. Axions do të tregonin se një fushë e padukshme është përgjegjëse.

E dyta është lënda e errët. Axions “janë kandidatë të shkëlqyer të lëndës së errët”, tha Asimina Arvanitaki, një fizikante teorike në Institutin Perimeter për Fizikën Teoretike në Waterloo, Kanada. Aksionet do të grumbullohen së bashku pikërisht në mënyrat që ne presim që materia e errët, dhe ato kanë vetëm vetitë e duhura për të shpjeguar pse janë kaq të vështira për t’u gjetur – domethënë, ato janë jashtëzakonisht të lehta dhe ngurrojnë të ndërveprojnë me materien e rregullt.

Në fillim të këtij viti, një grup shkencëtarësh raportuan se ata mund të kishin pikasur prova të aksioneve që prodhoheshin nga yjet neutronike – yje të shembur që janë aq të dendur, sa një kampion i vogël pak më i madh se një kokërr rërë do të peshonte sa një aeroplanmbajtëse. Që nga vitet 1980, fizikantët kanë menduar se nëse aksione ekzistojnë, ato duhet të prodhohen brenda bërthamave të nxehta të yjeve neutron, ku neutronet dhe protonet përplasen së bashku me energji të larta.

Aksionet duhet të jenë miliarda herë më pak masive se elektronet, kështu që ata do të jenë në gjendje të shpëtojnë nga brendësia e një ylli të dendur neutron në hapësirë. Këtu ata do të ndeshen me fushën magnetike jashtëzakonisht të fortë të yllit neutron. Në prani të një fushe kaq të fortë magnetike, aksione parashikohet të shndërrohen në fotone të zakonshëm, ose grimca drite. (Kjo veti formon bazën për kërkimet e aksioneve të lidhura me tokën, siç është Eksperimenti Axion Dark Matter, i cili përdor magnet të fuqishëm për të provuar të dallojë transformimin në veprim.) Aksionet që fluturojnë nëpër fushën magnetike të yllit neutron do të shndërrohen në fotone me rreze X.

Megjithatë, këto rreze X janë të vështira për t’u dalluar. Shumica e yjeve neutrone të njohura janë pulsarë që rrotullohen me shpejtësi, të cilët gjithsesi lëshojnë sasi të bollshme rrezesh X – nuk nevojiten aksione. Kjo është arsyeja pse hulumtimi i ri u përqëndrua në një grup prej shtatë yjesh neutron në galaktikën tonë të njohur si “shtatë madhështore”, të quajtur kështu sepse ata janë të vetmit yje neutron të njohur që nuk rrotullohen me shpejtësi. “Ata janë yjet neutron më të mërzitshëm që mund të imagjinoni,” tha Benjamin Safdi, një fizikant në Universitetin e Kalifornisë, Berkeley, dhe një bashkautor i studimit. “Ata thjesht janë ulur atje.”

Në studimin, të botuar në Physical Review Letters, Safdi dhe kolegët e tij sugjerojnë që të gjithë, përveç njërit prej këtyre yjeve neutron, tregojnë një tepricë të rrezeve X me energji më të lartë që “mund të shpjegohet me ekzistencën e aksioneve”, tha Safdi. Ekipi nuk pretendon një zbulim përfundimtar, por përkundrazi thekson mospërputhjen për hetime të mëtejshme.

Megjithatë, problemi me kërkimin në hapësirë ​​për prova të zbulimeve që thyejnë paradigmën është se ndryshe nga një laborator ultra i pastër në Tokë, hapësira ka shumë gjëra që po ndodhin. Ne thjesht mund të vëzhgojmë një proces tjetër astrofizik, që nuk ka lidhje me aksione, ose sinjali i tepërt i rrezeve X mund të mos jetë fare aty. Ekipi i Safdi-t planifikon të hetojë më tej çështjen me instrumente shtesë, si teleskopi me rreze X të NASA-s NuSTAR, i cili mund të vëzhgojë rreze X me energji më të lartë sesa teleskopët e tjerë hapësinorë. “Duke vëzhguar këto rreze X me energji më të lartë, ne mund të veçonim një sinjal të mundshëm aksione”, tha Safdi.

Kërkime të tjera aksione përdorin diellin tonë, i cili pritet të prodhojë aksione në brendësi të tij që më pas derdhen në hapësirë. Një eksperiment i gjatë në CERN në Zvicër i quajtur CERN Axion Solar Telescope (CAST) drejton një magnet superpërçues 10 metra të gjatë në diell. Magneti do të kthente çdo aksione hyrëse në fotone me rreze X, të cilat më pas do të kapeshin nga një detektor i vendosur në pjesën e pasme të magnetit.

CAST nuk ka gjetur asnjë aksione, por rezultatet e tij, si ato të kërkimeve të tjera që po ndodhin, ofrojnë kufizime të dobishme në karakteristikat e aksioneve, si p.sh. kur aksione mund të shndërrohen në fotone. Ka filluar puna për pasuesit e CAST, të cilët do të përdorin magnet më të mëdhenj dhe më të fuqishëm. Deri në vitin 2024, Observatori Ndërkombëtar Baby Axion (BabyIAXO) do të ndizet në një qendër përshpejtuesi gjerman të quajtur DESY. Do të jetë 100 herë më i ndjeshëm se CAST dhe do të shërbejë si pararendës i eksperimentit të plotë IAXO, i cili do të jetë “një faktor tjetër 100 më i mirë”, tha Igor Irastorza, një nga drejtuesit e CAST.

Studiuesit po eksplorojnë gjithashtu mënyra indirekte për të dalluar ndikimin e aksioneve në hapësirë. Disa xhuxha të bardhë – bërthamat e mbetura të yjeve si dielli ynë që kanë konsumuar karburantin e tyre – duket se po ftohen më shpejt se sa pritej. Një mundësi mund të jetë që aksionet po ikin nga yjet e vdekur, duke marrë energji me vete. Ftohja e shpejtë është “pikërisht ajo që do të pritej nëse ka aksione që kullojnë energji nga ky yll”, tha Irastorza. (Sidoqoftë, një lidhje përfundimtare nuk mund të vendoset ende.) Diku tjetër, vrimat e zeza janë konsideruar si laboratorë kryesorë për të hetuar ekzistencën e aksioneve duke kërkuar shenja të një procesi të quajtur superrrezatim, një fenomen ku grimcat e lehta – të tilla si aksione – mund të ngadalësojnë rrotullimi i një vrime të zezë diku nga 10% në 90% duke shkaktuar humbjen e energjisë dhe momentit këndor. “Nëse shihni një vrimë të zezë që rrotullohet shumë shpejt, ju e dini se ky proces nuk ka ndodhur,” tha Masha Baryakhtar, një fizikan i grimcave në Universitetin e Uashingtonit. Por nëse mund të matim masat dhe rrotullimet e mjaft vrimave të zeza, si për shembull me detektorët e valëve gravitacionale LIGO dhe Virgo, ne mund të fillojmë të kërkojmë modele që mund të “përputhen me llogaritjet se çfarë duhet të jenë nëse ekzistojnë aksione. “tha Baryakhtar.

Ndërsa aksionet janë bërë ngadalë një nga kandidatët më tërheqës të lëndës së errët, studiuesit kanë dalë me mënyra gjithnjë e më të përpunuara për të gjetur një copëz të një grimce që mund të mos ekzistojë. “Fusha thjesht po shpërthen”, tha Arvanitaki. Dhe megjithëse kërkimet në tokë “nuk kanë parë asgjë të rëndësishme”, tha Jesse Thaler, një fizikan i grimcave në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts, shikimi lart mund të rezultojë të jetë mënyra më premtuese për t’i gjetur ato. “Për shkak se aksione ose grimca të tjera të ngjashme me materia e errët ndërveprojnë kaq dobët, ju duhet një numër i madh diku për ta ngritur atë në diçka që mund të shihni,” tha Thaler. “Dhe një nga numrat më të mëdhenj që mund të imagjinoni do të ishte [të] shfrytëzoni tërësinë e universit si një detektor.”