புதிய ஆய்வு குறிப்பிடத்தக்க வகையில் மழுப்பலான டார்க் மேட்டர் துகள்களுக்கான தேடலைக் குறைக்கிறது

டார்க் மேட்டர் என்பது பிரபஞ்சத்தின் பெரும்பகுதியை உருவாக்குவதாக நம்பப்படும் பொருளின் ஒரு அனுமான வடிவமாகும். இது “இருள்” என்று அழைக்கப்படுகிறது, ஏனெனில் இது ஒளியை வெளியிடுவதில்லை, உறிஞ்சாது அல்லது பிரதிபலிக்காது, எனவே தொலைநோக்கிகள் அல்லது மின்காந்த கதிர்வீச்சைக் கண்டறியும் பிற கருவிகளால் நேரடியாகக் கண்டறிய முடியாது. இருப்பினும், நட்சத்திரங்கள் மற்றும் விண்மீன்கள் போன்ற புலப்படும் பொருளின் மீது அதன் ஈர்ப்பு விளைவுகளின் மூலம் அதன் இருப்பை ஊகிக்க முடியும். பிரபஞ்சத்தில் உள்ள வெகுஜனத்தில் 85% இருண்ட பொருள் இருக்கலாம் என்று விஞ்ஞானிகள் நம்புகின்றனர், மேலும் விண்மீன் திரள்களின் சுழற்சி வேகம் மற்றும் அண்ட அளவில் பொருளின் விநியோகம் போன்ற பல கவனிக்கப்பட்ட நிகழ்வுகளை விளக்க அதன் இருப்பு அவசியம்.

பெர்ன் பல்கலைக்கழகத்தில் உருவாக்கப்பட்ட ஒரு துல்லியமான பரிசோதனையைப் பயன்படுத்தி இருண்ட பொருளைத் தேடுவதில் சர்வதேச ஆராய்ச்சிக் குழு குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் கண்டுள்ளது.

நட்சத்திரங்கள் மற்றும் விண்மீன்களின் சுற்றுப்பாதைகளின் அண்டவியல் அவதானிப்புகள், வான உடல்களுக்கு இடையில் செயல்படும் ஈர்ப்பு விசைகளை நாம் காணக்கூடிய புலப்படும் பொருளால் முழுமையாக விளக்க முடியாது என்பதை வெளிப்படுத்தியுள்ளது. விண்மீன் திரள்களின் இயக்கங்கள் மற்றும் வளர்ச்சியில் செல்வாக்கு செலுத்தும் மற்றொரு அறியப்படாத பொருள் இருக்கலாம் என்று இது அறிவுறுத்துகிறது.

1933 ஆம் ஆண்டில், சுவிஸ் இயற்பியலாளரும் வானவியலாளருமான ஃபிரிட்ஸ் ஸ்விக்கி, இருண்ட பொருள் இருப்பதைப் பரிந்துரைத்தார், இது நேரடியாகத் தெரியாத ஒரு வகைப் பொருள், ஆனால் அதன் ஈர்ப்பு விளைவுகளால் கண்டறிய முடியும். இது பிரபஞ்சத்தில் உள்ள வெகுஜனத்தில் சுமார் 85% என்று நம்பப்படுகிறது, மேலும் நமக்குத் தெரிந்த புலப்படும் பொருளை விட தோராயமாக ஐந்து மடங்கு அதிக நிறை கொண்டது.

Ph.D உடன் பெர்னில் உள்ள ஆய்வகத்தில் சோதனைக் கருவியின் ஒரு பகுதி. மாணவர் Ivo Schulthess. கடன்: F. Piegsa

சமீபத்தில், ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் அடிப்படை இயற்பியல் மையத்தில் (AEC) உருவாக்கப்பட்ட ஒரு துல்லியமான பரிசோதனையைத் தொடர்ந்து[{” attribute=””>University of Bern, an international research team succeeded in significantly narrowing the scope for the existence of dark matter. With more than 100 members, the AEC is one of the leading international research organizations in the field of particle physics. The findings of the team, led by Bern, have recently been published in the highly-regarded journal Physical Review Letters.

The mystery surrounding dark matter

“What dark matter is actually made of is still completely unclear,” explains Ivo Schulthess, a Ph.D. student at the AEC and the lead author of the study. What is certain, however, is that it is not made from the same particles that make up the stars, planet Earth or us humans. Worldwide, increasingly sensitive experiments and methods are being used to search for possible dark matter particles – until now, however, without success.

Ivo Schulthess, a Ph.D. student at the Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC), University of Bern. Credit: I. Schulthess

Certain hypothetical elementary particles, known as axions, are a promising category of possible candidates for dark matter particles. An important advantage of these extremely lightweight particles is that they could simultaneously explain other important phenomena in particle physics that have not yet been understood.

The Bern experiment sheds light on the darkness

“Thanks to many years of expertise, our team has succeeded in designing and building an extremely sensitive measurement apparatus – the Beam EDM experiment,” explains Florian Piegsa, Professor for Low Energy and Precision Physics at the AEC, who was awarded one of the prestigious ERC Starting Grants from the European Research Council in 2016 for his research with neutrons. If the elusive axions actually exist, they should leave behind a characteristic signature in the measurement apparatus.

“Our experiment enables us to determine the rotational frequency of neutron spins, which move through a superposition of electric and magnetic fields,” explains Schulthess. The spin of each individual neutron acts as a kind of compass needle, which rotates due to a magnetic field similarly to the second hand of a wristwatch – but nearly 400,000 times faster. “We precisely measured this rotational frequency and examined it for the smallest periodic fluctuations which would be caused by the interactions with the axions,” explains Piegsa. The results of the experiment were clear: “The rotational frequency of the neutrons remained unchanged, which means that there is no evidence of axions in our measurement,” says Piegsa.

Parameter space successfully narrowed down

The measurements, which were carried out with researchers from France at the European Research Neutron Source at the Institute Laue-Langevin, allowed for the experimental exclusion of a previously completely unexplored parameter space of axions. It also proved possible to search for hypothetical axions which would be more than 1,000 times heavier than was previously possible with other experiments.

“Although the existence of these particles remains mysterious, we have successfully excluded an important parameter space of dark matter,” concludes Schulthess. Future experiments can now build on this work. “Finally answering the question of dark matter would give us a significant insight into the fundamentals of nature and take us a big step closer to a complete understanding of the universe,” explains Piegsa.

Reference: “New Limit on Axionlike Dark Matter Using Cold Neutrons” by Ivo Schulthess, Estelle Chanel, Anastasio Fratangelo, Alexander Gottstein, Andreas Gsponer, Zachary Hodge, Ciro Pistillo, Dieter Ries, Torsten Soldner, Jacob Thorne and Florian M. Piegsa, 4 November 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.191801

The research was funded by the European Research Council and the Swiss National Science Foundation.