Na década de 1970, os físicos descobriram um problema com o modelo padrão da física de partículas - a teoria que descreve três das quatro forças fundamentais da natureza (eletromagnética, fraco, e interações fortes; o quarto é a gravidade). Eles descobriram que, enquanto a teoria prevê que uma simetria entre partículas e forças em nosso Universo e uma versão de espelho deve ser quebrada, os experimentos dizem o contrário. Esta incompatibilidade entre a teoria e as observações é apelidada de 'o problema do CP forte' - CP significa Carga + Paridade. Qual é o problema do CP, e por que isso intrigou os cientistas por quase meio século?

No modelo padrão, eletromagnetismo é simétrico sob C (conjugação de carga), que substitui partículas por antipartículas; P (paridade), que substitui todas as partículas com suas contrapartes de imagem no espelho; e, T (inversão de tempo), que substitui as interações indo para frente no tempo com aquelas indo para trás no tempo, bem como combinações das operações de simetria CP, CT, PT, e CPT. Isso significa que experimentos sensíveis à interação eletromagnética não devem ser capazes de distinguir os sistemas originais daqueles que foram transformados por qualquer uma das operações de simetria acima mencionadas.

No caso da interação eletromagnética, a teoria corresponde muito bem às observações. Como previsto, o problema está em uma das duas forças nucleares - a interação forte. Acontece que a teoria permite violações da operação de simetria combinada CP (refletindo partículas em um espelho e, em seguida, alterando partícula por antipartícula) para a interação fraca e forte. Contudo, Violações de CP foram observadas até agora apenas para a interação fraca.

Mais especificamente, para as interações fracas, A violação de CP ocorre aproximadamente no 1 em 1, Nível 000, e muitos cientistas esperavam um nível semelhante de violações para as interações fortes. Ainda assim, experimentalistas procuraram extensivamente por violação de CP, mas sem sucesso. Se ocorrer na interação forte, é suprimido por mais de um fator de um bilhão (10 ⁹ )

Em 1977, os físicos teóricos Roberto Peccei e Helen Quinn propuseram uma solução possível:eles hipotetizaram uma nova simetria que suprime termos que violam CP na interação forte, fazendo assim a teoria coincidir com as observações. Um pouco depois, Steven Weinberg e Frank Wilczek - ambos ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1979 e 2004, respectivamente - percebi que esse mecanismo cria uma partícula inteiramente nova. Wilczek acabou batizando essa nova partícula de 'axion, depois de um popular detergente de louça com o mesmo nome, por sua capacidade de limpar o forte problema de CP.

O axion deve ser uma partícula extremamente leve, ser extraordinariamente abundante em número, e não tem nenhum custo. Devido a essas características, axions são excelentes candidatos à matéria escura. A matéria escura representa cerca de 85 por cento do conteúdo de massa do Universo, mas sua natureza fundamental continua sendo um dos maiores mistérios da ciência moderna. Descobrir que a matéria escura é feita de axions seria uma das maiores descobertas da ciência moderna.

Em 1983, o físico teórico Pierre Sikivie descobriu que os axions têm outra propriedade notável:na presença de um campo eletromagnético, eles às vezes devem se converter espontaneamente em fótons facilmente detectáveis. O que antes era considerado completamente indetectável, acabou sendo potencialmente detectável, desde que haja concentração suficiente de axions e campos magnéticos fortes.

Alguns dos campos magnéticos mais fortes do Universo cercam estrelas de nêutrons. Uma vez que esses objetos também são muito grandes, eles também poderiam atrair um grande número de partículas de matéria escura dos axiões. Assim, os físicos propuseram a busca de sinais de axion nas regiões circundantes de estrelas de nêutrons. Agora, uma equipe de pesquisa internacional, incluindo o Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) pós-doutorado Oscar Macias, fez exatamente isso com dois radiotelescópios - o Robert C. Byrd Green Bank Telescope nos EUA, e o Radiotelescópio Effelsberg 100 m na Alemanha.

Os alvos desta pesquisa foram duas estrelas de nêutrons próximas conhecidas por terem fortes campos magnéticos, bem como o centro da Via Láctea, que é estimado para hospedar meio bilhão de estrelas de nêutrons. A equipe amostrou frequências de rádio na faixa de 1 GHz, correspondendo a massas de axion de 5-11 microeletron-volt. Como nenhum sinal foi visto, a equipe foi capaz de impor os limites mais fortes até o momento em partículas de matéria escura de axion com massa de alguns microelétron-volt.