Austraalia teadlased teevad samme universumi ühe suurima saladuse – nähtamatu tumeaine olemuse – lahendamise suunas.
Austraalia esimene suurem tumeaine detektor ORGAN Experiment lõpetas hiljuti hüpoteetilise osakese, mida nimetatakse aksioniks, otsingud – see on populaarne kandidaat tumeainet seletavate teooriate seas.
ORGAN on seadnud uued piirid aksioonide võimalikele omadustele ja seega aidanud kitsendada nende otsimist. Aga enne kui me endast ette jõuame…
Alustame looga
Umbes 14 miljardit aastat tagasi suruti kõik väikesed ainetükid – põhiosakesed, millest hiljem said sina, planeet ja galaktika – üheks väga tihedaks kuumaks piirkonnaks.
Siis toimus Suur Pauk ja kõik lendas laiali. Osakesed ühinesid aatomiteks, mis lõpuks kokku klompisid, moodustades tähed, mis plahvatasid ja tekitasid igasugust eksootilist ainet.
Mõne miljardi aasta pärast tuli Maa, mis lõpuks roomas väikeste asjadega, mida nimetatakse inimesteks. Lahe lugu, eks? Selgub, et see pole kogu lugu; see pole isegi pool.
Inimesed, planeedid, tähed ja galaktikad on kõik valmistatud tavalisest ainest. Kuid me teame, et tavaline aine moodustab vaid ühe kuuendiku kogu universumi ainest.
Ülejäänu koosneb sellest, mida me nimetame tumeaineks. Selle nimi ütleb teile peaaegu kõik, mida me selle kohta teame. See ei kiirga valgust (nii me nimetame seda tumedaks) ja sellel on mass (nii me nimetame seda mateeriaks).
Kui see on nähtamatu, kuidas me teame, et see seal on?
Vaatledes asjade liikumist ruumis, avastame ikka ja jälle, et me ei saa oma vaatlusi seletada, kui arvestame ainult sellega, mida näeme.
Pöörlevad galaktikad on suurepärane näide. Enamik galaktikaid pöörleb kiirusega, mida ei saa seletada ainult nähtava aine gravitatsioonilise tõmbejõuga.
Seega peab neis galaktikates olema tumeainet, mis tagab täiendava gravitatsiooni ja võimaldab neil kiiremini tiirelda – ilma, et osad kosmosesse lendaks. Arvame, et tumeaine hoiab galaktikaid sõna otseses mõttes koos.
Seega peab universumis olema tohutult palju tumeainet, mis tõmbab endasse kõik asjad, mida me näeme. Ka see läheb sinust läbi nagu mingi kosmiline kummitus. Sa lihtsalt ei tunne seda.
Kuidas saaksime seda tuvastada?
Paljud teadlased usuvad, et tumeaine võib koosneda hüpoteetilistest osakestest, mida nimetatakse aksioonideks. Aksioonid pakuti algselt osana lahendusest teisele suurele osakeste füüsika probleemile, mida nimetatakse tugevaks CP probleemiks (millest võiksime kirjutada terve artikli).
Igatahes mõistsid teadlased pärast aksioni väljapakkumist, et osake võib teatud tingimustel moodustada ka tumeaine. Selle põhjuseks on asjaolu, et aksioonidel on eeldatavasti väga nõrk interaktsioon tavalise ainega, kuid neil on siiski teatud mass: kaks tumeaine jaoks vajalikku tingimust.
Kuidas siis aksioone otsima asuda?
Kuna arvatakse, et tumeaine on kõikjal meie ümber, saame luua detektoreid siinsamas Maa peal. Ja õnneks ennustab aksioone ennustav teooria ka seda, et aksioonid võivad õigetes tingimustes muutuda footoniteks (valgusosakesteks).
See on hea uudis, sest oskame suurepäraselt footoneid tuvastada. Ja just seda ORGAN teebki. See loob õiged tingimused aksioon-footoni muundamiseks ja otsib nõrku footoni signaale – detektorit läbiva tumeaine tekitatud väikeseid valgussähvatusi.
Sellist katset nimetatakse aksioonhaloskoobiks ja see pakuti esmakordselt välja aastal 1980s. Tänapäeva maailmas on neid vähe, millest igaüks on olulisel määral erinev.
Valguse paiskamine tumeainele
Arvatakse, et aksioon muutub tugeva magnetvälja juuresolekul footoniks. Tüüpilises haloskoobis tekitame selle magnetvälja suure elektromagneti abil, mida nimetatakse ülijuhtivaks solenoidiks.
Magnetvälja sisse asetame ühe või mitu õõnsat metallist kambrit, mis on mõeldud footonite püüdmiseks ja nende sees ümber põrkama panemiseks, muutes nende tuvastamise lihtsamaks.
Siiski on üks luksumine. Kõik, millel on temperatuur, kiirgab pidevalt väikseid juhuslikke valgussähvatusi (sellepärast termokaamerad töötavad). Need juhuslikud emissioonid või müra muudavad otsitavate nõrkade tumeaine signaalide tuvastamise raskemaks.
Selle probleemi lahendamiseks asetasime oma resonaatori lahjenduskülmikusse. See uhke külmik jahutab katse krüogeense temperatuurini, umbes –273 °C, mis vähendab oluliselt müra.
Mida külmem on katse, seda paremini saame "kuulata" tumeaine muundamise käigus tekkivaid nõrku footoneid.
Massipiirkondade sihtimine
Teatud massiga aksioon muundub teatud sagedusega või värvi footoniks. Kuid kuna aksioonide mass on teadmata, peavad katsed suunama oma otsingud erinevatele piirkondadele, keskendudes neile, kus tumeainet peetakse tõenäolisemaks.
Kui tumeaine signaali ei leita, siis kas pole katse piisavalt tundlik, et kuulda signaali mürast kõrgemal, või pole vastavas aksioonmassi piirkonnas tumeainet.
Kui see juhtub, määrame "välistamispiiri" - see on lihtsalt viis öelda, et "me ei leidnud selles massivahemikus tumeainet sellisel tundlikkuse tasemel". See käsib ülejäänud tumeaine uurimisringkondadel oma otsingud mujale suunata.
ORGAN on oma sihitud sagedusvahemikus kõige tundlikum katse. Selle hiljutine käitamine ei tuvastanud tumeaine signaale. See tulemus on seadnud võimalikele omadustele olulise välistamispiiri aksioonidest.
See on aksioonide otsimise mitmeaastase plaani esimene etapp. Valmistame praegu ette järgmist katset, mis on tundlikum ja sihib uut, veel uurimata massivahemikku.
Aga miks on tumeainel tähtsust?
Esiteks teame ajaloost, et kui investeerime fundamentaalfüüsikasse, töötame välja olulisi tehnoloogiaid. Näiteks kogu kaasaegne andmetöötlus tugineb meie arusaamale kvantmehaanikast.
Me poleks kunagi avastanud elektrit ega raadiolaineid, kui me poleks tegelenud asjadega, mis tol ajal tundusid olevat kummalised füüsikalised nähtused, millest me aru ei saanud. Tumeaine on sama.
Mõelge kõigele, mida inimesed on saavutanud, mõistes vaid kuuendikku universumi ainest – ja kujutage ette, mida me saaksime teha, kui ülejäänud osa lahti teeksime.
See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.
Image Credit: Illustris koostöö
