Αυστραλοί επιστήμονες κάνουν βήματα προς την επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος: τη φύση της αόρατης σκοτεινής ύλης.
Το Πείραμα ORGAN, ο πρώτος σημαντικός ανιχνευτής σκοτεινής ύλης της Αυστραλίας, ολοκλήρωσε πρόσφατα μια έρευνα για ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται axion - ένας δημοφιλής υποψήφιος μεταξύ των θεωριών που προσπαθούν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη.
Η ORGAN έχει θέσει νέα όρια στα πιθανά χαρακτηριστικά των axions και έτσι βοήθησε στον περιορισμό της αναζήτησής τους. Πριν όμως προλάβουμε…
Ας ξεκινήσουμε με μια ιστορία
Πριν από περίπου 14 δισεκατομμύρια χρόνια, όλα τα μικρά κομμάτια ύλης - τα θεμελιώδη σωματίδια που αργότερα θα γίνονταν εσείς, ο πλανήτης και ο γαλαξίας - συμπιέστηκαν σε μια πολύ πυκνή, καυτή περιοχή.
Τότε έγινε το Big Bang και όλα διαλύθηκαν. Τα σωματίδια ενώθηκαν σε άτομα, τα οποία τελικά συγκεντρώθηκαν για να δημιουργήσουν αστέρια, τα οποία εξερράγησαν και δημιούργησαν κάθε είδους εξωτική ύλη.
Μετά από μερικά δισεκατομμύρια χρόνια ήρθε η Γη, η οποία τελικά σέρνονταν με μικρά πράγματα που ονομάζονταν άνθρωποι. Ωραία ιστορία, σωστά; Αποδεικνύεται ότι δεν είναι όλη η ιστορία. δεν είναι ούτε το μισό.
Οι άνθρωποι, οι πλανήτες, τα αστέρια και οι γαλαξίες αποτελούνται από κανονική ύλη. Αλλά ξέρουμε ότι η κανονική ύλη αποτελεί μόλις το ένα έκτο όλης της ύλης στο σύμπαν.
Το υπόλοιπο αποτελείται από αυτό που ονομάζουμε σκοτεινή ύλη. Το όνομά του σας λέει σχεδόν όλα όσα γνωρίζουμε για αυτό. Δεν εκπέμπει φως (έτσι το λέμε σκοτεινό), και έχει μάζα (έτσι το λέμε ύλη).
Αν είναι αόρατο, πώς ξέρουμε ότι είναι εκεί;
Όταν παρατηρούμε τον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα πράγματα στο χώρο, διαπιστώνουμε ξανά και ξανά ότι δεν μπορούμε να εξηγήσουμε τις παρατηρήσεις μας αν λάβουμε υπόψη μόνο αυτό που μπορούμε να δούμε.
Οι περιστρεφόμενοι γαλαξίες είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα. Οι περισσότεροι γαλαξίες περιστρέφονται με ταχύτητες που δεν μπορούν να εξηγηθούν μόνο από τη βαρυτική έλξη από την ορατή ύλη.
Πρέπει λοιπόν να υπάρχει σκοτεινή ύλη σε αυτούς τους γαλαξίες, παρέχοντας πρόσθετη βαρύτητα και επιτρέποντάς τους να περιστρέφονται γρηγορότερα - χωρίς μέρη να εκτοξεύονται στο διάστημα. Πιστεύουμε ότι η σκοτεινή ύλη κυριολεκτικά συγκρατεί τους γαλαξίες.
Πρέπει λοιπόν να υπάρχει μια τεράστια ποσότητα σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, που έλκει όλα τα πράγματα που μπορούμε να δούμε. Περνάει και από μέσα σου, σαν κάποιο είδος κοσμικού φαντάσματος. Απλώς δεν μπορείς να το νιώσεις.
Πώς θα μπορούσαμε να το εντοπίσουμε;
Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αποτελείται από υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια. Τα Axions προτάθηκαν αρχικά ως μέρος μιας λύσης σε ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα της σωματιδιακής φυσικής που ονομάζεται πρόβλημα ισχυρού CP (για το οποίο θα μπορούσαμε να γράψουμε ολόκληρο άρθρο).
Ούτως ή άλλως, αφού προτάθηκε το axion, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι το σωματίδιο θα μπορούσε επίσης να αποτελέσει τη σκοτεινή ύλη υπό ορισμένες συνθήκες. Αυτό συμβαίνει επειδή τα αξιόνια αναμένεται να έχουν πολύ αδύναμες αλληλεπιδράσεις με την κανονική ύλη, αλλά εξακολουθούν να έχουν κάποια μάζα: τις δύο συνθήκες που απαιτούνται για τη σκοτεινή ύλη.
Λοιπόν, πώς πηγαίνετε για την αναζήτηση για axions;
Λοιπόν, δεδομένου ότι η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι βρίσκεται παντού γύρω μας, μπορούμε να κατασκευάσουμε ανιχνευτές ακριβώς εδώ στη Γη. Και, ευτυχώς, η θεωρία που προβλέπει τα αξιόνια προβλέπει επίσης ότι τα αξιόνια μπορούν να μετατραπούν σε φωτόνια (σωματίδια φωτός) υπό τις κατάλληλες συνθήκες.
Αυτά είναι καλά νέα, γιατί είμαστε εξαιρετικοί στην ανίχνευση φωτονίων. Και αυτό ακριβώς κάνει το ORGAN. Κατασκευάζει τις σωστές συνθήκες για τη μετατροπή άξονα-φωτονίου και αναζητά αδύναμα σήματα φωτονίων—μικρές λάμψεις φωτός που παράγονται από τη σκοτεινή ύλη που περνάει μέσα από τον ανιχνευτή.
Αυτό το είδος πειράματος ονομάζεται αξονικό αλοσκόπιο και προτάθηκε για πρώτη φορά στο 1980s. Υπάρχουν μερικά στον κόσμο σήμερα, το καθένα ελαφρώς διαφορετικό με σημαντικούς τρόπους.
Λάμπει ένα φως στη σκοτεινή ύλη
Ένα άξιον πιστεύεται ότι μετατρέπεται σε φωτόνιο παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Σε ένα τυπικό αλοσκόπιο, δημιουργούμε αυτό το μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιώντας έναν μεγάλο ηλεκτρομαγνήτη που ονομάζεται υπεραγώγιμο σωληνοειδές.
Μέσα στο μαγνητικό πεδίο τοποθετούμε έναν ή περισσότερους κοίλους θαλάμους μετάλλου, οι οποίοι προορίζονται να παγιδεύουν τα φωτόνια και να τα αναγκάζουν να αναπηδούν γύρω από το εσωτερικό, καθιστώντας τους ευκολότερο τον εντοπισμό.
Ωστόσο, υπάρχει ένας λόξυγκας. Οτιδήποτε έχει θερμοκρασία εκπέμπει συνεχώς μικρές τυχαίες λάμψεις φωτός (γι' αυτό λειτουργούν οι κάμερες θερμικής απεικόνισης). Αυτές οι τυχαίες εκπομπές ή ο θόρυβος καθιστούν πιο δύσκολο τον εντοπισμό των αμυδρά σημάτων σκοτεινής ύλης που αναζητούμε.
Για να επιλύσουμε αυτό, έχουμε τοποθετήσει το αντηχείο μας σε ένα ψυγείο αραίωσης. Αυτό το φανταχτερό ψυγείο ψύχει το πείραμα σε κρυογονικές θερμοκρασίες, περίπου -273°C, γεγονός που μειώνει σημαντικά τον θόρυβο.
Όσο πιο κρύο είναι το πείραμα, τόσο καλύτερα μπορούμε να «ακούμε» αμυδρά φωτόνια που παράγονται κατά τη μετατροπή της σκοτεινής ύλης.
Στόχευση μαζικών περιοχών
Ένας άξονας ορισμένης μάζας θα μετατραπεί σε ένα φωτόνιο συγκεκριμένης συχνότητας ή χρώματος. Επειδή όμως η μάζα των αξόνων είναι άγνωστη, τα πειράματα πρέπει να στοχεύουν την αναζήτησή τους σε διαφορετικές περιοχές, εστιάζοντας σε εκείνες όπου θεωρείται πιο πιθανό να υπάρχει σκοτεινή ύλη.
Εάν δεν βρεθεί σήμα σκοτεινής ύλης, τότε είτε το πείραμα δεν είναι αρκετά ευαίσθητο ώστε να ακούσει το σήμα πάνω από τον θόρυβο, είτε δεν υπάρχει σκοτεινή ύλη στην αντίστοιχη περιοχή μάζας άξονα.
Όταν συμβεί αυτό, θέτουμε ένα "όριο αποκλεισμού" - το οποίο είναι απλώς ένας τρόπος να πούμε "δεν βρήκαμε σκοτεινή ύλη σε αυτό το εύρος μάζας, σε αυτό το επίπεδο ευαισθησίας". Αυτό λέει στην υπόλοιπη ερευνητική κοινότητα της σκοτεινής ύλης να κατευθύνουν τις αναζητήσεις τους αλλού.
Το ORGAN είναι το πιο ευαίσθητο πείραμα στο στοχευμένο εύρος συχνοτήτων του. Η πρόσφατη εκτέλεση του δεν εντόπισε σήματα σκοτεινής ύλης. Αυτό το αποτέλεσμα έχει θέσει ένα σημαντικό όριο αποκλεισμού για τα πιθανά χαρακτηριστικά των αξιών.
Αυτή είναι η πρώτη φάση ενός πολυετούς σχεδίου αναζήτησης αξόνων. Αυτήν τη στιγμή ετοιμάζουμε το επόμενο πείραμα, το οποίο θα είναι πιο ευαίσθητο και θα στοχεύει σε μια νέα, ακόμη ανεξερεύνητη περιοχή μάζας.
Αλλά γιατί η σκοτεινή ύλη έχει σημασία;
Λοιπόν, για ένα, γνωρίζουμε από την ιστορία ότι όταν επενδύουμε στη θεμελιώδη φυσική, καταλήγουμε να αναπτύσσουμε σημαντικές τεχνολογίες. Για παράδειγμα, όλοι οι σύγχρονοι υπολογιστές βασίζονται στην κατανόησή μας για την κβαντική μηχανική.
Ποτέ δεν θα είχαμε ανακαλύψει τον ηλεκτρισμό ή τα ραδιοκύματα, αν δεν επιδιώκαμε πράγματα που, εκείνη την εποχή, φαινόταν να είναι περίεργα φυσικά φαινόμενα πέρα από την κατανόησή μας. Η σκοτεινή ύλη είναι η ίδια.
Σκεφτείτε όλα όσα έχουν καταφέρει οι άνθρωποι κατανοώντας μόνο το ένα έκτο της ύλης στο σύμπαν—και φανταστείτε τι θα μπορούσαμε να κάνουμε αν ξεκλειδώναμε τα υπόλοιπα.
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Image Credit: Συνεργασία Illustris
