Is Dark Matter Made of Axions?

I förra veckan, när forskare vid ett italienskt laboratorium meddelade att oväntade blippar i deras detektor kunde komma från länge eftersökta subatomära partiklar, så kallade axioner, var deras kollegor försiktigt optimistiska: Inom fysiken bleknar ofta påstådda upptäckter av nya partiklar till betydelselöshet när forskarna samlar in mer data. Och det finns andra, mer prosaiska förklaringar till blipparna. Däremot är det teoretiska argumentet för axionernas existens övertygande för många fysiker. Och de hypotetiska partiklarna är en av de främsta kandidaterna till mörk materia, den mystiska substans som utgör majoriteten av det materiella universumet. Att bekräfta att axioner existerar skulle vara ett genombrott för partikelfysiken – och en upptäckt med långtgående konsekvenser för vår förståelse av universums sammansättning och historia.

Historien om axioner börjar på 1970-talet, när fysiker som utvecklade standardmodellen – det ramverk som beskriver de kända partiklarna och deras växelverkan – upptäckte något konstigt med den starka kärnkraften, som binder ihop kvarkar för att bilda protoner och neutroner i atomkärnorna. Denna kraft reglerar på något sätt neutronernas struktur så att de blir perfekt symmetriska. Med andra ord, även om neutronen är neutral har kvarkarna i den en laddning – och av okänd anledning är denna laddning otroligt jämnt fördelad (åtminstone inom en del på en miljard, enligt de senaste mätningarna). På partikelfysikens språk sägs neutronen ha laddningsparitetssymmetri (CP-symmetri): att vända alla dess laddningar från positiv till negativ, samtidigt som man betraktar dess beteende i en spegel, skulle inte ha någon märkbar effekt. Frågan om varför partikeln har detta arrangemang blev känd som ”det starka CP-problemet”.

Då, 1977, föreslog Helen Quinn och den avlidne Roberto Peccei, båda då vid Stanford University, en lösning: kanske finns det ett hittills okänt fält som genomsyrar hela rymden och som undertrycker neutronens asymmetrier. Senare drog de teoretiska fysikerna Frank Wilczek och Steven Weinberg slutsatsen att om standardmodellen ändrades för att tillåta ett sådant fält skulle det innebära att det fanns en ny partikel, kallad axionen. (Wilczek fick idén till namnet från ett tvättmedelsmärke.) Axionen skulle inte ha något kvantmekaniskt ”spinn”, vilket gör den till en boson. Dess massa, även om den inte är noll, skulle vara otroligt liten.

Trots sin försvinnande lilla vikt skulle axioner existera i så stort antal att fysikerna snart insåg att de skulle kunna stå för en stor del av den massa som ”saknas” i universum: Astronomiska observationer som går tillbaka till 1930-talet tyder på att synlig materia – galaxer, stjärnor, planeter och så vidare – utgör mindre än en sjättedel av den totala massan av all materia i kosmos, och att mörk materia står för resten. Den mörka materiens natur har varit föremål för intensiv debatt sedan dess.

”Axionen är faktiskt en riktigt bra kandidat för mörk materia”, säger Peter Graham från Stanford. Förutom att man förväntar sig att kosmos skulle vara översvämmat av partiklar skulle axioner vara naturligt ”mörka”, vilket innebär att de knappast skulle interagera med vanlig materia överhuvudtaget. ”Universum gillar att producera axioner”, säger Graham, ”och det gillar att producera dem på ett sådant sätt att de skulle fungera som den kalla mörka materia som vi vet finns där ute.”

”Kall” är ett viktigt förbehåll: De axioner som forskarna påstås ha upptäckt med XENON1T-experimentet vid Italiens Gran Sasso National Laboratory skulle förmodligen ha producerats inuti vår sol. De skulle vara mycket energirika och därmed osannolikt att vara en komponent av mörk materia. Axioner av mörk materia måste vara långsamt rörliga, eller kalla, så att de skulle kunna klumpa ihop sig och gravitationellt styra galaxernas utveckling, vilket man tror att mörk materia gör. Teoretiker misstänker att sådana axioner kan ha producerats i det tidiga universum. Eftersom de processer som tros skapa kalla axioner kan vara relaterade till universums tidiga tillväxtspurt – en extraordinär ökning av storleken som kallas inflation – kan det hjälpa fysikerna att förstå de allra första ögonblicken efter big bang om de hittar och studerar dessa svårfångade partiklar ytterligare. Även om upptäckten av axioner inte skulle bevisa att inflationen ägde rum, säger Graham, skulle det ge en värdefull inblick i den tidens fysik. ”För mig är det det som är det spännande med axioner”, tillägger han.

Men vetenskapsmännen reagerar med försiktighet – även de i XENON1T-teamet. Det enda de är säkra på är att de har sett ett överraskande stort antal ”recoils” av elektroner i det enorma karet med flytande xenon som är experimentets hjärta. Vad som fick elektronerna att hoppa är öppet för debatt. Om subatomära partiklar som kallas neutriner har oförutsedda magnetiska egenskaper skulle detta arrangemang kunna förklara de observerade resultaten. Eller så kan förklaringen vara mer vardaglig: xenonet kan helt enkelt vara kontaminerat med tritium – en tyngre form av väte vars naturliga strålning kan ha fördunklat signalen vid XENON1T. Dessutom är konfidensnivån för den onormala signalen endast ”3,5 sigma”, vilket innebär att det finns en chans på 5 000 att ”signalen” i själva verket bara är brus, en produkt av statistiska fluktuationer snarare än äkta ny fysik. Dessa odds kan låta bra, men de ligger långt under den standard på en på 3,5 miljoner, eller ”fem sigma”, som traditionellt är kopplad till legitima upptäckter inom partikelfysiken.

Förutom att samla in mer data och uppgradera sitt experiment kommer XENON1T-forskarna att leta efter eventuella årliga förändringar i den uppenbara signalen. Solaxioner bör orsaka att signalen fluktuerar när jorden kretsar runt solen. Under tiden kan bekräftande bevis komma från Axion Dark Matter Experiment (ADMX) vid University of Washington eller ett experiment som kallas CAST (CERN Axion Solar Telescope) vid CERN nära Genève. ADMX har redan lyckats sätta nya gränser för axionens massa, och CAST har letat efter solaxioner sedan 2003.

Om axioner visar sig vara verkliga skulle det vara ”en triumf för den teoretiska fysiken – att ha lagt fram den här typen av estetiska argument, och sedan säger naturen: ’Japp, det stämmer'”, säger Wilczek, som är verksam vid Massachusetts Institute of Technology och var en av dem som tilldelades nobelpriset i fysik 2004 för sitt teoretiska arbete om den starka kärnkraften. Om axioner existerar, säger han, skulle det peka på ny fysik bortom standardmodellen – något som han och hans kollegor har väntat på i årtionden. Nya typer av antenner skulle kunna byggas för att leta efter axioner som skapades i det tidiga universum, föreslår Wilczek. Om dessa axioner kan mätas med framgång skulle det ”öppna ett nytt kapitel inom astronomin”, tillägger han, eftersom partiklarnas beteende skulle kunna kasta ljus över galaxbildning och ”möjligen andra överraskande saker”.

Men även om en sådan utveckling troligen skulle vara värd Nobelpriset, så har Wilczek inte gjort plats för en andra medalj på sin hylla. Men om ytterligare ett Nobelpris skulle komma i hans väg säger han att han ”inte skulle tacka nej till det”.