Se eles existem, axions, entre os candidatos a partículas de matéria escura, poderia interagir com a matéria que compõe o universo, mas em uma extensão muito mais fraca do que anteriormente teorizado. Novo, restrições rigorosas sobre as propriedades dos áxions foram propostas por uma equipe internacional de cientistas.

A mais recente análise de medições das propriedades elétricas de nêutrons ultracold, publicado na revista científica Revisão Física X , levou a conclusões surpreendentes. Com base nos dados coletados no experimento de Momento de Dipolo Elétrico do Nêutron (nEDM), um grupo internacional de físicos demonstrou que axions, partículas hipotéticas que podem compreender matéria escura fria, teria que obedecer a limitações muito mais rígidas do que se acreditava anteriormente no que diz respeito à sua massa e maneiras de interagir com a matéria comum. Os resultados são os primeiros dados de laboratório que impõem limites nas interações potenciais dos axions com os nucleons (ou seja, prótons ou nêutrons) e gluons (as partículas que ligam os quarks nos nucleons).

"Medições do momento de dipolo elétrico dos nêutrons têm sido conduzidas por nosso grupo internacional por uma boa dúzia de anos ou mais. Na maior parte desse tempo, nenhum de nós suspeitou que quaisquer traços associados a partículas potenciais de matéria escura pudessem estar ocultos nos dados coletados. Apenas recentemente, teóricos sugeriram tal possibilidade e avidamente aproveitamos a oportunidade para verificar as hipóteses sobre as propriedades dos áxions, "diz o Dr. Adam Kozela (IFJ PAN), um dos participantes do experimento.

A matéria escura foi proposta pela primeira vez para explicar os movimentos das estrelas dentro de galáxias e galáxias dentro de aglomerados galácticos. O pioneiro da pesquisa estatística sobre os movimentos das estrelas foi o astrônomo polonês Marian Kowalski. Em 1859, ele notou que os movimentos das estrelas próximas não podiam ser explicados apenas pelo movimento do sol. Esta foi a primeira evidência observacional sugerindo a rotação da Via Láctea. Kowalski é, portanto, o homem que "abalou os alicerces" da galáxia. Em 1933, o astrônomo suíço Fritz Zwicky deu um passo adiante. Ele analisou os movimentos das estruturas no aglomerado da galáxia Coma usando vários métodos. Ele então percebeu que eles se moviam como se houvesse uma quantidade muito maior de matéria ao seu redor do que a observada pelos astrônomos.

Os astrônomos acreditam que deveria haver quase 5,5 vezes mais matéria escura no universo do que matéria comum, como sugerem as medições de radiação de micro-ondas de fundo. Mas a natureza da matéria escura ainda é desconhecida. Os teóricos construíram muitos modelos prevendo a existência de partículas que são mais ou menos exóticas, o que pode ser responsável pela matéria escura. Entre os candidatos estão axions. Essas partículas extremamente leves interagiriam com a matéria comum quase exclusivamente por meio da gravidade. Os modelos atuais prevêem que, em certas situações, um fóton pode se transformar em um axião, e depois de algum tempo, transformar de volta em um fóton. Esse fenômeno hipotético é a base dos famosos experimentos "iluminar uma parede". Isso envolve o direcionamento de um feixe intenso de luz laser para um obstáculo espesso, e observar aqueles fótons que se transformam em áxions que penetram na parede. Depois de passar, alguns dos axions podem se tornar fótons novamente, com recursos exatamente como aqueles originalmente direcionados à barreira.

Os experimentos relacionados à medição do momento de dipolo elétrico dos nêutrons não têm nada a ver com os fótons. Em experimentos conduzidos por mais de 10 anos, os cientistas mediram as mudanças na frequência de ressonância magnética nuclear (NMR) de nêutrons e átomos de mercúrio em uma câmara de vácuo na presença de energia elétrica, campos magnéticos e gravitacionais. Essas medições permitiram aos pesquisadores tirar conclusões sobre a precessão de nêutrons e átomos de mercúrio, e, conseqüentemente, em seus momentos de dipolo.

Nos últimos anos, surgiram trabalhos teóricos que contemplam a possibilidade de axions interagirem com glúons e nucleons. Dependendo da massa dos axions, essas interações podem resultar em distúrbios menores ou maiores com o caráter de oscilações de momentos elétricos dipolo dos núcleons, ou mesmo átomos inteiros. As previsões significavam que experimentos conduzidos como parte da cooperação nEDM poderiam conter informações valiosas sobre a existência e propriedades de partículas potenciais de matéria escura.

"Nos dados dos experimentos no PSI, nossos colegas conduzindo a análise procuraram por mudanças de frequência com períodos da ordem de minutos, e nos resultados do ILL - na ordem de dias. Este último apareceria se houvesse um vento axion, isso é, se os axions no espaço próximo à Terra estivessem se movendo em uma direção específica. Uma vez que a Terra está girando, em diferentes momentos do dia, nosso equipamento de medição mudava sua orientação em relação ao vento axion, e isso deve resultar em cíclico, mudanças diárias nas oscilações registradas por nós, "explica o Dr. Kozela.

Os resultados da pesquisa foram negativos. Nenhum vestígio da existência de axions com massas entre 10 ^-24 e 10 ^-17 elétron-volts foram encontrados (para comparação:a massa de um elétron é mais de meio milhão de elétron-volts). Além disso, os cientistas conseguiram apertar as restrições impostas pela teoria sobre a interação dos áxions com os núcleons em 40 vezes. No caso de potenciais interações com glúons, as restrições aumentaram mais de 1000 vezes. Então, se axions existem, nos modelos teóricos atuais, eles têm menos lugares para se esconder.