Er mørk materie lavet af axioner?

I sidste uge, da forskere på et italiensk laboratorium meddelte, at uventede blips i deres detektor kunne stamme fra længe eftersøgte subatomare partikler, kendt som axioner, var deres kolleger forsigtigt optimistiske: I fysik er påståede opdagelser af nye partikler ofte ubetydelige, efterhånden som forskerne indsamler flere data. Og der er andre, mere prosaiske forklaringer på blipsene. Omvendt er de teoretiske argumenter for axionernes eksistens overbevisende for mange fysikere. Og de hypotetiske partikler er en af de førende kandidater til mørkt stof, det mystiske stof, som udgør størstedelen af det materielle univers. Hvis det bekræftes, at axioner findes, vil det være et gennembrud for partikelfysikken – og en opdagelse med vidtrækkende konsekvenser for vores forståelse af universets sammensætning og historie.

Historien om axioner begynder i 1970’erne, da fysikere, der udviklede standardmodellen – den ramme, der beskriver de kendte partikler og deres vekselvirkninger – bemærkede noget mærkeligt ved den stærke atomkraft, som binder kvarker sammen og danner protoner og neutroner i atomkerner. Denne kraft regulerer på en eller anden måde neutronernes struktur, så de bliver perfekt symmetriske. Eller sagt på en anden måde: Selv om neutronen er neutral, bærer kvarkerne i den en ladning – og af ukendte årsager er denne ladning spredt utroligt ensartet (i hvert fald med en nøjagtighed på en del i en milliard, ifølge de seneste målinger). I partikelfysikkens sprog siger man, at neutronen har ladningsparitetssymmetri (CP): Hvis man omvender alle dens ladninger fra positiv til negativ og samtidig ser dens adfærd i et spejl, vil det ikke have nogen mærkbar effekt. Spørgsmålet om, hvorfor partiklen har dette arrangement, blev kendt som “det stærke CP-problem”.

Derpå foreslog Helen Quinn og den afdøde Roberto Peccei, begge dengang på Stanford University, i 1977 en løsning: Måske er der et hidtil ukendt felt, der gennemsyrer hele rummet og undertrykker neutronens asymmetrier. Senere udledte de teoretiske fysikere Frank Wilczek og Steven Weinberg, at hvis standardmodellen blev ændret, så et sådant felt blev tilladt, ville det betyde eksistensen af en ny partikel, som blev kaldt axionen. (Wilczek fik ideen til navnet fra et vaskepulvermærke.) Axionen ville ikke have noget kvantemekanisk “spin”, hvilket gør den til en boson. Dens masse ville, selv om den ikke er nul, være utrolig lille.

Trods deres forsvindende lille vægt ville axioner eksistere i så stort et antal, at fysikerne snart indså, at de kunne stå for en stor del af den masse, der “mangler” i universet: Astronomiske observationer, der går tilbage til 1930’erne, tyder på, at det synlige stof – galakser, stjerner, planeter og så videre – udgør mindre end en sjettedel af den samlede masse af alt stof i kosmos, mens mørkt stof udgør resten. Det mørke stofs natur har været genstand for intens debat lige siden.

“Axionen er faktisk en rigtig god kandidat til mørkt stof”, siger Peter Graham fra Stanford. Ud over forventningen om, at kosmos skulle være oversvømmet af partikler, ville axioner være naturligt “mørke”, hvilket betyder, at de næppe ville interagere med almindeligt stof overhovedet. “Universet kan lide at producere axioner,” siger Graham, “og det kan lide at producere dem på en sådan måde, at de ville opføre sig som det kolde mørke stof, som vi ved findes derude.”

“Koldt” er et vigtigt forbehold: De axioner, som forskerne angiveligt opdagede med XENON1T-eksperimentet på det italienske Gran Sasso National Laboratory, ville sandsynligvis være blevet produceret inde i vores sol. De ville være meget energirige og dermed usandsynligt, at de kunne være en komponent af mørkt stof. Axioner af mørkt stof skal være langsomt bevægelige eller kolde, så de kan klumpe sig sammen for at styre udviklingen af galakser ved hjælp af gravitation – sådan som mørkt stof menes at gøre. Teoretikere formoder, at sådanne axioner kan være blevet produceret i det tidlige univers. Da de processer, der menes at skabe kolde axioner, kan være relateret til universets tidlige vækstspurt – en ekstraordinær ballonudvidelse kendt som inflation – kan det at finde og yderligere studere disse flygtige partikler desuden hjælpe fysikerne med at forstå de allerførste øjeblikke efter big bang. Selv om opdagelsen af axioner ikke vil bevise, at inflationen fandt sted, siger Graham, vil det give et værdifuldt indblik i fysikken i den tid. “For mig er det det spændende ved axioner,” tilføjer han.

Derimod reagerer forskerne med forsigtighed – også forskerne på XENON1T-holdet. Det eneste, de er sikre på, er, at de har set et overraskende stort antal “recoils” af elektroner i det enorme kar med flydende xenon, som er eksperimentets hjerte. Hvad der fik elektronerne til at springe, kan man diskutere. Hvis subatomare partikler kaldet neutrinoer har uforudsete magnetiske egenskaber, kunne dette arrangement være en forklaring på de observerede resultater. Eller forklaringen kunne være mere banal: xenonet kunne blot være forurenet med tritium – en tungere form for brint, hvis naturlige stråling kunne have mudret det signal, der blev set ved XENON1T. Desuden er konfidensniveauet i forbindelse med det unormale signal kun “3,5 sigma” – hvilket betyder, at der er en chance ud af 5.000 for, at “signalet” i virkeligheden bare er støj, et produkt af statistiske udsving snarere end ægte ny fysik. Disse chancer lyder måske gode, men de er langt under den standard på en ud af 3,5 millioner eller “fem sigma”, der traditionelt er knyttet til legitime opdagelser inden for partikelfysik.

Ud over at samle flere data og opgradere deres eksperiment vil XENON1T-forskerne kigge efter eventuelle årlige ændringer i det tilsyneladende signal. Solaxioner skulle forårsage, at signalet svinger i takt med, at Jorden kredser om solen. I mellemtiden kan der komme bekræftende beviser fra Axion Dark Matter Experiment (ADMX) på University of Washington eller et eksperiment kendt som CAST (CERN Axion Solar Telescope) på CERN nær Geneve. ADMX har allerede formået at sætte nye begrænsninger på axionens masse, og CAST har været på jagt efter solaxioner siden 2003.

Hvis axioner viser sig at være virkelige, vil det være “en triumf for den teoretiske fysik – at have fremsat denne slags æstetiske argumenter, og så siger naturen: ‘Jep, det er rigtigt'”, siger Wilczek, der er baseret på Massachusetts Institute of Technology og var medmodtager af Nobelprisen i fysik i 2004 for sit teoretiske arbejde om den stærke kernekraft. Han siger, at eksistensen af axioner ville pege på ny fysik ud over standardmodellen – noget, som han og hans kolleger har ventet på i årtier. Man kunne bygge nye typer antenner til at lede efter axioner, der blev skabt i det tidlige univers, foreslår Wilczek. Hvis det lykkes at måle disse axioner, “vil det åbne et nyt kapitel i astronomien”, tilføjer han, fordi partiklernes adfærd kan kaste lys over galakseformationen og “muligvis andre overraskende ting”.

Selv om en sådan udvikling sandsynligvis ville være Nobelprisværdig, er Wilczek ikke ved at gøre plads på sin hylde til endnu en medalje. Men hvis endnu en Nobelpris kom i hans retning, siger han, ville han “ikke sige nej til den”

.