Este materia întunecată formată din axioni?
Săptămâna trecută, când oamenii de știință de la un laborator italian au anunțat că blițurile neașteptate din detectorul lor ar putea proveni de la particule subatomice îndelung căutate, cunoscute sub numele de axioni, colegii lor au fost optimiști cu prudență: În fizică, presupusele detecții de noi particule devin adesea nesemnificative pe măsură ce cercetătorii adună mai multe date. Și există și alte explicații, mai prozaice, pentru blipuri. În schimb, cazul teoretic al existenței axionilor este convingător pentru mulți fizicieni. Iar particulele ipotetice sunt unul dintre principalii candidați pentru materia întunecată, substanța misterioasă care alcătuiește cea mai mare parte a universului material. Confirmarea faptului că axionii sunt reali ar fi o descoperire importantă pentru fizica particulelor – și o descoperire cu implicații de anvergură pentru înțelegerea noastră despre compoziția și istoria universului.
Povestea axionului începe în anii 1970, când fizicienii care dezvoltau Modelul Standard – cadrul care descrie particulele cunoscute și interacțiunile lor – au observat ceva ciudat în legătură cu forța nucleară puternică, care leagă quarcii între ei pentru a forma protonii și neutronii din nucleele atomilor. Această forță reglează cumva structura neutronilor pentru a-i face perfect simetrici. Altfel spus, deși neutronul este neutru, quarcii din interiorul său poartă sarcină – și, din motive necunoscute, această sarcină este răspândită incredibil de uniform (cel puțin cu o precizie de o parte dintr-un miliard, conform celor mai recente măsurători). În limbajul fizicii particulelor, se spune că neutronul are simetrie de paritate de sarcină (CP): inversarea tuturor sarcinilor sale de la pozitiv la negativ, în timp ce, de asemenea, privindu-i comportamentul într-o oglindă, nu ar avea niciun efect perceptibil. Întrebarea de ce particula are acest aranjament a devenit cunoscută sub numele de „problema CP puternică.”
Atunci, în 1977, Helen Quinn și regretatul Roberto Peccei, amândoi pe atunci la Universitatea Stanford, au propus o soluție: poate că există un câmp necunoscut până atunci care străbate tot spațiul și care suprimă asimetriile neutronului. Ulterior, fizicienii teoreticieni Frank Wilczek și Steven Weinberg au dedus că, dacă Modelul Standard ar fi modificat pentru a permite un astfel de câmp, acest lucru ar implica existența unei noi particule, numită axion. (Wilczek a preluat ideea numelui de la o marcă de detergent de rufe.) Axionul nu ar avea un „spin” mecanic cuantic, ceea ce l-ar face un boson. Masa sa, deși nu zero, ar fi incredibil de mică.
În ciuda greutății lor extrem de minuscule, axionii ar exista într-un număr atât de mare încât fizicienii și-au dat seama în curând că ar putea explica o mare parte din masa „lipsă” din univers: Observațiile astronomice care datează încă din anii 1930 sugerează că materia vizibilă – galaxii, stele, planete și așa mai departe – reprezintă mai puțin de o șesime din masa totală a întregii materii din cosmos, restul fiind reprezentat de materia întunecată. Natura acestei materii întunecate a fost de atunci subiectul unor dezbateri intense.
„Axionul este de fapt un candidat foarte bun pentru materia întunecată”, spune Peter Graham de la Stanford. Dincolo de așteptarea ca cosmosul să fie inundat de aceste particule, axionii ar fi în mod natural „întunecați”, ceea ce înseamnă că nu ar interacționa aproape deloc cu materia obișnuită. „Universului îi place să producă axioni”, spune Graham, „și îi place să îi producă în așa fel încât să acționeze ca materia întunecată rece despre care știm că se află acolo.”
„Rece” este un avertisment important: axionii pe care cercetătorii au pretins că i-au detectat cu experimentul XENON1T de la Laboratorul Național Gran Sasso din Italia ar fi fost probabil produși în interiorul soarelui nostru. Ei ar fi foarte energetici și, prin urmare, este puțin probabil să fie o componentă a materiei întunecate. Axionii de materie întunecată ar trebui să se deplaseze lent sau să fie reci, astfel încât să se poată grupa pentru a ghida gravitațional evoluția galaxiilor, așa cum se crede că face materia întunecată. Teoreticienii suspectează că astfel de axioni ar fi putut fi produși în universul timpuriu. Mai mult, deoarece procesele despre care se crede că ar putea crea axioni reci ar putea fi legate de creșterea timpurie a universului – o creștere extraordinară a dimensiunii cunoscută sub numele de inflație – găsirea și studierea în continuare a acestor particule evazive ar putea ajuta fizicienii să înțeleagă primele momente care au urmat Big Bang-ului. Deși descoperirea axionilor nu ar dovedi că inflația a avut loc, spune Graham, aceasta ar oferi o perspectivă valoroasă asupra fizicii din acea perioadă. „Pentru mine, acesta este lucrul cel mai interesant în legătură cu axionii”, adaugă el.
Totuși, oamenii de știință reacționează cu prudență – inclusiv cei din echipa XENON1T. Tot ceea ce sunt siguri este că au văzut un număr surprinzător de mare de „reculuri” ale electronilor în uriașa cuvă de xenon lichid care este inima experimentului. Ce a făcut ca electronii să sară este deschis la dezbatere. Dacă particulele subatomice numite neutrini au proprietăți magnetice neașteptate, acest aranjament ar putea explica rezultatele observate. Sau explicația ar putea fi mai banală: xenonul ar putea fi pur și simplu contaminat cu tritiu – o formă mai grea de hidrogen a cărui radiație naturală ar fi putut tulbura semnalul observat la XENON1T. În plus, nivelul de încredere asociat semnalului anormal este de numai „3,5 sigma” – ceea ce înseamnă că există o șansă la 5.000 ca „semnalul” să fie de fapt doar zgomot, produsul unor fluctuații statistice și nu al unei noi fizici autentice. Aceste șanse pot părea bune, dar sunt cu mult sub standardul de unu la 3,5 milioane, sau „cinci sigma”, legat în mod tradițional de descoperirile legitime în fizica particulelor.
Pe lângă acumularea mai multor date și modernizarea experimentului lor, cercetătorii XENON1T vor căuta orice schimbări anuale ale semnalului aparent. Axionii solari ar trebui să facă ca acel semnal să fluctueze pe măsură ce Pământul orbitează în jurul Soarelui. Între timp, dovezi de coroborare ar putea veni de la Axion Dark Matter Experiment (ADMX) de la Universitatea din Washington sau de la un experiment cunoscut sub numele de CAST (CERN Axion Solar Telescope) de la CERN, lângă Geneva. ADMX a reușit deja să impună noi constrângeri asupra masei axionului, iar CAST vânează axioni solari încă din 2003.
Dacă axionii se dovedesc a fi reali, ar fi „un triumf al fizicii teoretice – să fi făcut acest tip de argument estetic, iar apoi natura spune: „Da, așa este””, spune Wilczek, care lucrează la Massachusetts Institute of Technology și a fost co-recipient al Premiului Nobel pentru Fizică în 2004 pentru munca sa teoretică asupra forței nucleare puternice. Existența axionilor, spune el, ar indica o nouă fizică dincolo de Modelul Standard – un lucru pe care el și colegii săi îl anticipează de zeci de ani. Wilczek sugerează că ar putea fi construite noi tipuri de antene pentru a căuta axioni creați în universul timpuriu. Dacă acești axioni pot fi măsurați cu succes, „s-ar deschide un nou capitol în astronomie”, adaugă el, deoarece comportamentul particulelor ar putea face lumină asupra formării galaxiilor și „posibil și alte lucruri surprinzătoare.”
În timp ce astfel de dezvoltări ar fi probabil demne de Nobel, Wilczek nu își face loc pe raftul său pentru o a doua medalie. Dar dacă un alt Nobel i-ar ieși în cale, spune el, „nu l-ar refuza”.”
.