Materia întunecată reprezintă unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii actuale. Multe experimente încearcă să descopere particule care să corespundă acestei materii, printre care și Beam EDM la ILL Grenoble, care folosește neutronii ca un fel de busole în căutarea așa-numiților axioni, particule ipotetice de materie întunecată. Nu au reușit să descopere semnale ale existenței axionilor, eliminând astfel teorii care prevedeau existența axionilor cu semnale măsurabile în Beam EDB.

Materia întunecată

Materia întunecată este unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii actuale, reprezentând, se crede, circa 85% din materia din Univers.  Măsurători ale vitezelor de rotație ale stelelor (dar și alte fenomene) arată cum că ar fi nevoie de materie în plus, față de cea vizibilă și pe care o cunoaștem, în galaxii, care să explice atracția gravitațională necesară pentru vitezele măsurate, viteze care sunt mai mari decât ce se calculează doar din materia vizibilă. Cercetătorii au propus diverse scenarii și modele că să explice din ce ar fi compusă această materie întunecată. În acest context există propuneri de particule (precum axionii) cu masă extrem de mică, dar și de particule – precum cele super-simetrice – cu masă foarte mare. Experimente efectuate la acceleratoare de particule și în laboratoare subterane, precum Gran Sasso în Italia, încearcă să descopere aceste particule, până în prezent însă fără succes. În acest context, noi experimente efectuate cu fascicule de neutroni pot să dea rezultate interesante.

Experimentul Beam EDM

O idee interesantă este aceea de a folosi neutronii că detectoare ale materiei întunecate. Nu orice fel de materie întunecată ci cea reprezentată de așa-numiții axioni – particule cu masă mică (nu se știe însă cât de mică) care au fost propuse de teoreticieni pentru a rezolva ceva probleme din lumea particulelor elementare care nu au legătură directă cu materia întunecată, însă s-au dovedit utile și pentru explicarea materiei întunecate. Axionii au o masă presupusă mult mai mică decât cea a electronilor, însă teoriile propuse nu dau indicații precise – există teorii cu axioni mai mult sau mai puțin „grei”. Axionii ar putea interacționa cu neutronii ducând la efecte măsurabile. Tocmai această idee este la baza experimentului Beam EDM, efectuat la fascicolul de neutroni de la European Research Neutron Source, Institute Laue-Langevin (Grenoble). Neutronii traversează o regiune de câmpuri electrice și magnetice. Spinul neutronilor este ca un fel de busolă care se rotește în câmpul magnetic, cu o frecvență bine cunoscută. Eventuale modificări ale acestei frecvențe ar putea fi datorate prezenței axionilor care interacționează cu neutronii.

Ce rezultate s-au obținut?

Beam EDM nu a măsurat nici un efect datorat eventualei prezențe a axionilor, Frecvența măsurată era cea prevăzută de teoria fără axioni. Rezultatele acestui experiment au fost publicate recent într-un articol în Phys. Rev. Letters, având ca prim autor pe Ivo Schulthess. Au fost astfel eliminate teoriile care prevedeau existența axionilor care ar fi dat semnale măsurabile de experiment. S-a demonstrat inclusiv că metoda folosită ar putea căuta axioni cu masă de circa 1000 mai mare decât până acum.

Materia întunecată rămâne un mister

Materia întunecată, împreună cu energia întunecată, rămân mari mistere ale fizicii actuale. Este necesară efectuarea de noi experimente, cu metode diverse, pentru a căuta particule ce ar putea explica materia întunecată. Aceste experimente vânează semnale prevăzute de diverse teorii, dincolo de așa-numitul Model Standard al fizicii particulelor elementare. Nu știm exact care ar putea fi modelul care ar putea să aibă succes, și dacă acesta cu adevărat există. Din acest motiv experimente atât în laboratoarele subterane, care caută să măsoare semnale ale interacțiunii materiei întunecate din Univers cu detectoarele noastre, dar și cele de la acceleratoare, care încearcă să producă materia întunecate, sunt necesare.

Credit imagine: Parte a aparatului experimental din laboratorul din Berna cu Ph.D. student Ivo Schulthess. Credit: F. Piegsa

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe