בלב צביר גלקסיות במרחק של 200 מיליון שנות אור, אסטרונומים לא הצליחו לזהות חלקיקים היפותטיים הנקראים אקסיון.
זה מציב מגבלות חדשות על האופן שבו אנו מאמינים שהחלקיקים האלה עובדים - אבל יש לזה גם השלכות די גדולות על, ופיתוח תיאוריה של הכל שמתארת כיצד פועל היקום הפיזי.
"עד לאחרונה לא היה לי מושג כמה אסטרונומים בקרני רנטגן מביאים לשולחן בכל הנוגע לתורת המיתרים, אבל אנחנו יכולים לשחק תפקיד מרכזי."אמר האסטרופיזיקאי כריסטופר ריינולדס מאוניברסיטת קיימברידג' בבריטניה.
"אם החלקיקים האלה יתגלו בסופו של דבר זה ישנה את הפיזיקה לנצח."
כשזה מגיע להבנת איך היקום עובד, פיתחנו כמה מסגרות די טובות. אחד הוא, המתאר כיצד הפיזיקה פועלת ברמת המאקרו. אחר היא מכניקת הקוונטים, שמתארת כיצד דברים מתנהגים ברמה האטומית והתת-אטומית.
הבעיה הגדולה היא ששתי המסגרות המפורסמות לא מסתדרות. לא ניתן להקטין את תורת היחסות הכללית לרמת הקוונטים, ולא ניתן להגדיל את מכניקת הקוונטים. היו הרבה ניסיונות לגרום להם לשחק יפה, ולפתח מה שנקרא תיאוריה של הכל.
אחד המועמדים המבטיחים ביותר לפתרון ההבדלים בין תורת היחסות הכללית למכניקת הקוונטים הואמשהו שנקרא תורת המיתרים, הכוללת החלפת החלקיקים דמויי הנקודה בפיזיקת החלקיקים במיתרים חד מימדיים זעירים ורוטטים.
יתר על כן, מודלים רבים של תורת המיתרים מנבאים את קיומם של אקסונים - החלקיקים בעלי המסה האולטרה-נמוכה שהונחו לראשונה בשנות ה-70 כדי לפתור שאלה מדוע כוחות אטומיים חזקים עוקבים אחר משהו שנקראסימטריית מטען-שוויון, כאשר רוב הדוגמניות אומרות שהן לא חייבות. כפי שהתברר, תורת המיתרים גם מנבאת מספר גדול של חלקיקים שמתנהגים כמו אקסיון, הנקראים חלקיקים דמויי אקסיון.
אחת התכונות של חלקיקים דמויי אקסיון היא שהם יכולים להפוך לפוטון כאשר הם עוברים דרך שדה מגנטי; ולהפך, פוטונים יכולים להפוך לחלקיקים דמויי אקסיון כשהם עוברים דרך שדה מגנטי. ההסתברות לכך תלויה במגוון גורמים, כולל עוצמת השדה המגנטי, המרחק שעבר ומסת החלקיק.
כאן נכנסים לתמונה ריינולדס וצוותו. הם השתמשו במצפה רנטגן צ'אנדרה כדי לחקור את הגרעין הפעיל של גלקסיה הנקראתNGC 1275שנמצא במרחק של כ-237 מיליון שנות אור, בליבו של צביר גלקסיות הנקרא צביר פרסאוס.
תצפיותיהם של שמונה ימים בסופו של דבר לא סיפרו להם כמעט דבר על. אבל אז הם הבינו שניתן להשתמש בנתונים כדי לחפש חלקיקים דמויי אקסיון.
"אור הרנטגן מ-NGC1275 צריך לעבור דרך הגז החם של צביר פרסאוס, והגז הזה ממוגנט."ריינולדס הסביר.
"השדה המגנטי חלש יחסית (חלש יותר מפי 10,000 מהשדה המגנטי על פני כדור הארץ), אבל הפוטונים של קרני הרנטגן צריכים לעבור מרחק עצום דרך השדה המגנטי הזה. זה אומר שיש מספיק הזדמנויות להמרה של אלה פוטונים לחלקיקים דמויי אקסיון (בתנאי שהמסה של החלקיקים דמויי האקסיון נמוכה מספיק)."
מכיוון שההסתברות להמרה תלויה באורך הגל של פוטוני הרנטגן, התצפיות אמורות לחשוף עיוות שכן אורכי גל מסוימים מומרים בצורה יעילה יותר מאחרים. לקח לצוות כשנה של עבודה קפדנית, אבל בסופו של דבר, לא נמצא עיוות כזה.
המשמעות היא שהצוות יכול לשלול את קיומם של צירים בטווח המסה שהתצפיות שלהם היו רגישות אליו - עד למיליונית המיליארדית ממסת האלקטרון.
"המחקר שלנו לא שולל את קיומם של החלקיקים האלה, אבל זה בהחלט לא עוזר במקרה שלהם",אמרה האסטרונומית הלן ראסל מאוניברסיטת נוטינגהאם בבריטניה.
"האילוצים הללו חופרים בטווח המאפיינים המוצעים על ידי תורת המיתרים, ועשויים לעזור לתאורטיקנים של המיתרים לנכש את התיאוריות שלהם."
המחקר פורסם בכתב העת האסטרופיזי.
