Australialaiset tutkijat ottavat askeleita ratkaistakseen yhtä maailmankaikkeuden suurimmista mysteereistä: näkymättömän pimeän aineen luonteen.
ORGAN Experiment, Australian ensimmäinen suuri pimeän aineen detektori, sai äskettäin päätökseen hypoteettisen aksioni-nimisen hiukkasen etsimisen, joka on suosittu ehdokas pimeää ainetta selittävien teorioiden joukossa.
ORGAN on asettanut uusia rajoja aksionien mahdollisille ominaisuuksille ja siten auttanut kaventamaan niiden etsintää. Mutta ennen kuin pääsemme edellämme…
Aloitetaan tarinalla
Noin 14 miljardia vuotta sitten kaikki pienet aineen palaset – perushiukkaset, joista myöhemmin tulee sinä, planeetta ja galaksi – puristettiin yhdeksi erittäin tiheäksi, kuumaksi alueeksi.
Sitten tapahtui alkuräjähdys ja kaikki hajosi. Hiukkaset yhdistyivät atomeiksi, jotka lopulta kasautuivat yhteen muodostaen tähtiä, jotka räjähtivät ja loivat kaikenlaista eksoottista ainetta.
Muutaman miljardin vuoden kuluttua tuli Maa, joka lopulta ryömi pienten esineiden kanssa, joita kutsutaan ihmisiksi. Siisti tarina, eikö? Osoittautuu, että se ei ole koko tarina; se ei ole edes puoli.
Ihmiset, planeetat, tähdet ja galaksit ovat kaikki tehty tavallisesta aineesta. Mutta tiedämme, että tavallinen aine muodostaa vain kuudesosan kaikesta maailmankaikkeuden aineesta.
Loput on tehty pimeästä aineesta. Sen nimi kertoo melkein kaiken, mitä tiedämme siitä. Se ei säteile valoa (niin kutsumme sitä pimeydeksi), ja sillä on massa (niin kutsumme sitä aineeksi).
Jos se on näkymätön, mistä tiedämme sen olevan siellä?
Kun tarkkailemme asioiden kulkua avaruudessa, huomaamme kerta toisensa jälkeen, ettemme voi selittää havaintojamme, jos otamme huomioon vain sen, mitä voimme nähdä.
Pyörivät galaksit ovat hyvä esimerkki. Useimmat galaksit pyörivät nopeuksilla, joita ei voida selittää pelkällä näkyvän aineen painovoimalla.
Joten näissä galakseissa täytyy olla pimeää ainetta, joka tarjoaa lisäpainovoimaa ja mahdollistaa niiden pyörimisen nopeammin – ilman, että osia lennättäisiin avaruuteen. Uskomme, että pimeä aine kirjaimellisesti pitää galakseja yhdessä.
Joten maailmankaikkeudessa täytyy olla valtava määrä pimeää ainetta, joka vetää puoleensa kaikkea mitä voimme nähdä. Se kulkee myös sinun läpi, kuin jokin kosminen aave. Et vain voi tuntea sitä.
Kuinka voimme havaita sen?
Monet tutkijat uskovat, että pimeä aine voi koostua hypoteettisista hiukkasista, joita kutsutaan aksioneiksi. Aksioneja ehdotettiin alun perin osaksi ratkaisua toiseen suureen hiukkasfysiikan ongelmaan, jota kutsutaan vahvaksi CP-ongelmaksi (josta voisimme kirjoittaa kokonaisen artikkelin).
Joka tapauksessa aksionin ehdottamisen jälkeen tutkijat ymmärsivät, että hiukkanen voi myös muodostaa pimeää ainetta tietyissä olosuhteissa. Tämä johtuu siitä, että aksioneilla odotetaan olevan erittäin heikkoja vuorovaikutuksia tavallisen aineen kanssa, mutta niillä on silti jonkin verran massaa: kaksi ehtoa, joita pimeälle aineelle tarvitaan.
Joten miten lähdet etsimään aksioita?
No, koska pimeän aineen uskotaan olevan kaikkialla ympärillämme, voimme rakentaa ilmaisimia tänne maan päälle. Ja onneksi aksioneja ennustava teoria ennustaa myös, että aksionit voivat muuttua fotoneiksi (valohiukkasiksi) oikeissa olosuhteissa.
Tämä on hyvä uutinen, koska olemme hyviä fotonien havaitsemisessa. Ja juuri tätä ORGAN tekee. Se suunnittelee oikeat olosuhteet aksioni-fotonimuunnokselle ja etsii heikkoja fotonisignaaleja – ilmaisimen läpi kulkevan pimeän aineen synnyttämiä pieniä valon välähdyksiä.
Tällaista koetta kutsutaan aksionihaloskoopiksi ja sitä ehdotettiin ensimmäisen kerran vuonna 1980s. Maailmassa on nykyään muutamia, joista jokainen on hieman erilainen tärkeällä tavalla.
Valon loistaminen pimeään aineeseen
Aksionin uskotaan muuttuvan fotoniksi vahvan magneettikentän läsnäollessa. Tyypillisessä haloskoopissa tuotamme tämän magneettikentän käyttämällä suurta sähkömagneettia, jota kutsutaan suprajohtavaksi solenoidiksi.
Magneettikentän sisään asetamme yhden tai useita onttoja metallikammioita, joiden tarkoituksena on vangita fotonit ja saada ne pomppimaan sisällä, mikä helpottaa niiden havaitsemista.
Yksi häiriö kuitenkin on. Kaikki, jolla on lämpötila, lähettää jatkuvasti pieniä satunnaisia valon välähdyksiä (siksi lämpökamerat toimivat). Nämä satunnaiset päästöt tai kohina vaikeuttavat etsimiemme himmeän pimeän aineen signaalien havaitsemista.
Tämän kiertämiseksi olemme sijoittaneet resonaattorimme laimennusjääkaappiin. Tämä hieno jääkaappi jäähdyttää kokeen kryogeenisiin lämpötiloihin, noin -273 °C:seen, mikä vähentää huomattavasti melua.
Mitä kylmempi koe on, sitä paremmin voimme "kuunnella" pimeän aineen konversion aikana syntyneitä heikkoja fotoneja.
Kohdistus massaalueille
Tietyn massan aksioni muuttuu tietyn taajuuden tai värin fotoniksi. Mutta koska aksionien massaa ei tunneta, kokeiden on kohdistettava hakunsa eri alueille keskittyen niihin, joissa pimeän aineen katsotaan olevan todennäköisempää.
Jos pimeän aineen signaalia ei löydy, joko koe ei ole tarpeeksi herkkä kuulemaan signaalia kohinan yläpuolella tai vastaavalla aksionimassa-alueella ei ole pimeää ainetta.
Kun näin tapahtuu, asetamme "poissulkemisrajan" - mikä on vain tapa sanoa "emme löytäneet pimeää ainetta tältä massaalueelta, tälle herkkyystasolle". Tämä käskee muun pimeän aineen tutkimusyhteisön suuntaamaan hakunsa muualle.
ORGAN on herkin koe kohdistetulla taajuusalueellaan. Sen äskettäinen ajo ei havainnut pimeän aineen signaaleja. Tämä tulos on asettanut tärkeän poissulkemisrajan mahdollisille ominaisuuksille aksioista.
Tämä on ensimmäinen vaihe monivuotisessa suunnitelmassa aksioiden etsimiseksi. Valmistelemme parhaillaan seuraavaa kokeilua, joka on herkempi ja kohdistuu uuteen, vielä tutkimattomaan massaalueeseen.
Mutta miksi pimeällä aineella on väliä?
Ensinnäkin tiedämme historiasta, että kun investoimme perusfysiikkaan, päädymme kehittämään tärkeitä teknologioita. Esimerkiksi kaikki moderni laskenta perustuu kvanttimekaniikkaa koskevaan ymmärryksemme.
Emme olisi koskaan löytäneet sähköä tai radioaaltoja, ellemme olisi pyrkineet asioihin, jotka tuolloin näyttivät oudolta fysikaalisilta ilmiöiltä, joita emme ymmärtäisi. Pimeä aine on sama.
Ajattele kaikkea, mitä ihmiset ovat saaneet aikaan ymmärtämällä vain kuudesosan maailmankaikkeuden aineesta – ja kuvittele, mitä voisimme tehdä, jos avaisimme loput.
Tämä artikkeli julkaistaan uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.
Kuva pistetilanne: Illustris -yhteistyö
