Космологічні спостереження за орбітами зірок і галактик показали, що сили тяжіння, що діють між небесними тілами, не можна повністю пояснити видимою матерією, яку ми можемо бачити. Це свідчить про те, що може існувати інший, невідомий тип матерії, який впливає на рух і розвиток галактик.
У 1933 році швейцарський фізик і астроном Фріц Цвікі припустив існування темної матерії, типу матерії, яка невидима безпосередньо, але може бути виявлена через її гравітаційний вплив. Вважається, що він становить приблизно 85% маси у Всесвіті та складається приблизно з п’яти разів більшої маси, ніж видима матерія, з якою ми знайомі.
Нещодавно після точного експерименту, розробленого в Центрі фундаментальної фізики Альберта Ейнштейна (AEC) Бернського університету, міжнародній дослідницькій групі вдалося значно звузити сферу існування темної матерії. Налічуючи понад 100 членів, AEC є однією з провідних міжнародних дослідницьких організацій у галузі фізики елементарних частинок. Висновки групи, очолюваної Берном, нещодавно були опубліковані у високоповажному журналі Physical Review Letters.
«З чого насправді складається темна матерія, досі неясно», — пояснює Іво Шультесс, доктор філософії. студент AEC і провідний автор дослідження. Проте можна сказати точно те, що він складається не з тих самих частинок, які складають зірки, планету Земля чи нас, людей. У всьому світі все більш чутливі експерименти та методи використовуються для пошуку можливих частинок темної матерії – однак досі безрезультатно.
Певні гіпотетичні елементарні частинки, відомі як аксіони, є багатообіцяючою категорією можливих кандидатів на роль частинок темної матерії. Важливою перевагою цих надзвичайно легких частинок є те, що вони можуть одночасно пояснити інші важливі явища у фізиці елементарних частинок, які ще не зрозумілі.
«Завдяки багаторічному досвіду нашій команді вдалося спроектувати та побудувати надзвичайно чутливий вимірювальний прилад — експеримент Beam EDM», — пояснює Флоріан Пієгза, професор фізики низьких енергій і прецизійної фізики в AEC, який отримав одну з престижних нагород ERC розпочинає гранти від Європейської дослідницької ради у 2016 році для його досліджень з нейтронами. Якщо невловимі аксіони насправді існують, вони повинні залишити характерний підпис у вимірювальному приладі.
«Наш експеримент дозволяє нам визначити частоту обертання нейтронних обертів, які рухаються через суперпозицію електричних і магнітних полів», — пояснює Шультесс. Обертання кожного окремого нейтрона діє як своєрідна стрілка компаса, яка обертається завдяки магнітному полю подібно до секундної стрілки наручного годинника, але майже в 400 000 разів швидше. «Ми точно виміряли цю частоту обертання та перевірили її на наявність найменших періодичних коливань, які можуть бути спричинені взаємодією з аксіонами», — пояснює Пієгза. Результати експерименту були очевидними: «Частота обертання нейтронів залишилася незмінною, що означає, що в наших вимірюваннях немає доказів аксіонів», — каже Пієгса.
Вимірювання, які були проведені дослідниками з Франції в Європейському дослідницькому джерелі нейтронів в Інституті Лауе-Ланжевена, дозволили експериментально виключити раніше повністю невивчений простір параметрів аксіонів. Також виявилося можливим пошук гіпотетичних аксіонів, які були б більш ніж у 1000 разів важчі, ніж це було можливо раніше в інших експериментах.
«Хоча існування цих частинок залишається загадковим, ми успішно виключили важливий параметр простору темної матерії», — підсумовує Шультесс. Майбутні експерименти тепер можуть спиратися на цю роботу. «Нарешті відповідь на питання про темну матерію дасть нам суттєве розуміння основ природи та зробить великий крок ближче до повного розуміння Всесвіту», — пояснює Пієгса.