Ausztrál tudósok lépéseket tesznek a világegyetem egyik legnagyobb titkának, a láthatatlan sötét anyag természetének a megoldása felé.
Az ORGAN Experiment, Ausztrália első nagy sötétanyag-detektora, a közelmúltban fejezte be az axiónak nevezett hipotetikus részecske kutatását – ez egy népszerű jelölt a sötét anyagot megmagyarázó elméletek körében.
Az ORGAN új korlátokat szabott az axionok lehetséges jellemzőinek, és így szűkítette a keresést. De mielőtt megelőznénk magunkat…
Kezdjük egy történettel
Körülbelül 14 milliárd évvel ezelőtt az anyag összes apró darabja – az alapvető részecskék, amelyekből később ön, a bolygó és a galaxis lesz – egyetlen nagyon sűrű, forró régióba tömörült.
Aztán megtörtént az Ősrobbanás, és minden szétszállt. A részecskék atomokká egyesültek, amelyek végül összetapadva csillagokat alkottak, amelyek felrobbantak és mindenféle egzotikus anyagot hoztak létre.
Néhány milliárd év elteltével megérkezett a Föld, amelyen végül az embereknek nevezett apróságok kúsztak. Klassz történet, igaz? Kiderült, hogy nem ez az egész történet; még fele sincs.
Az emberek, a bolygók, a csillagok és a galaxisok mind szabályos anyagból állnak. De tudjuk, hogy a szabályos anyag a világegyetem összes anyagának csak egyhatodát teszi ki.
A többit az általunk sötét anyagnak nevezett anyag alkotja. A neve szinte mindent elárul, amit tudunk róla. Nem bocsát ki fényt (így nevezzük sötétnek), és van tömege (így nevezzük anyagnak).
Ha láthatatlan, honnan tudhatjuk, hogy ott van?
Amikor megfigyeljük a dolgok mozgását a térben, újra és újra azt tapasztaljuk, hogy nem tudjuk megmagyarázni megfigyeléseinket, ha csak azt vesszük figyelembe, amit látunk.
A forgó galaxisok jó példa erre. A legtöbb galaxis olyan sebességgel forog, amely nem magyarázható pusztán a látható anyag gravitációs vonzásával.
Tehát sötét anyagnak kell lennie ezekben a galaxisokban, ami extra gravitációt biztosít, és lehetővé teszi számukra, hogy gyorsabban forogjanak – anélkül, hogy részek kirepülnének az űrbe. Úgy gondoljuk, hogy a sötét anyag szó szerint összetartja a galaxisokat.
Tehát óriási mennyiségű sötét anyagnak kell lennie az univerzumban, amely magára vonja mindazt, amit látunk. Ez is áthalad rajtad, mint valami kozmikus szellem. Egyszerűen nem érzed.
Hogyan tudnánk észlelni?
Sok tudós úgy véli, hogy a sötét anyag hipotetikus részecskékből, úgynevezett axionokból állhat. Az axionokat eredetileg a részecskefizika egy másik nagy problémájának, az erős CP problémának a megoldásának részeként javasolták (amiről egy egész cikket írhatnánk).
Mindenesetre az axion javaslata után a tudósok rájöttek, hogy bizonyos körülmények között a részecske sötét anyagot is alkothat. Ennek az az oka, hogy az axionok várhatóan nagyon gyengén kölcsönhatásba lépnek a normál anyaggal, de még mindig van némi tömegük: ez a sötét anyaghoz szükséges két feltétel.
Szóval hogyan kezdesz az axionok keresésével?
Nos, mivel úgy gondolják, hogy a sötét anyag körülöttünk van, építhetünk detektorokat itt a Földön. És szerencsére az axionokat előrejelző elmélet azt is megjósolja, hogy az axionok megfelelő körülmények között fotonokká (fényrészecskévé) alakulhatnak át.
Ez jó hír, mert kiválóan tudjuk észlelni a fotonokat. Az ORGAN pedig pontosan ezt teszi. Megtervezi a megfelelő feltételeket az axion-foton konverzióhoz, és gyenge fotonjeleket keres – a detektoron áthaladó sötét anyag által keltett kis fényvillanásokat.
Ezt a fajta kísérletet axion haloszkópnak nevezik, és először a Ötvenes évek. Néhány ilyen van a mai világban, mindegyik egy kicsit más és más fontos szempontból.
Fényt gyújtani a sötét anyagra
Úgy gondolják, hogy az axion erős mágneses tér jelenlétében fotonná alakul. Egy tipikus haloszkópban ezt a mágneses teret egy nagy elektromágnes segítségével hozzuk létre, amelyet szupravezető szolenoidnak neveznek.
A mágneses mező belsejében egy vagy több üreges fémkamrát helyezünk el, amelyek a fotonok csapdába ejtésére és a belsejében való ugrálásra késztetik, így könnyebben észlelhetők.
Azonban van egy akadozás. Minden, aminek hőmérséklete van, folyamatosan kis véletlenszerű fényvillanásokat bocsát ki (ezért működnek a hőkamerák). Ezek a véletlenszerű kibocsátások vagy zajok megnehezítik az általunk keresett halvány sötét anyag jelek észlelését.
Ennek megkerülésére a rezonátorunkat egy hígítóhűtőbe helyeztük. Ez a díszes hűtőszekrény lehűti a kísérletet kriogén hőmérsékletre, körülbelül -273 °C-ra, ami nagymértékben csökkenti a zajt.
Minél hidegebb a kísérlet, annál jobban tudunk „hallgatni” a sötét anyag átalakulása során keletkező halvány fotonokra.
Tömegrégiók célzása
Egy bizonyos tömegű axion egy bizonyos frekvenciájú vagy színű fotonná alakul. De mivel az axionok tömege ismeretlen, a kísérleteknek különböző régiókra kell irányulniuk, és azokra kell összpontosítaniuk, ahol a sötét anyag létezésének valószínűsége nagyobb.
Ha nem találunk sötét anyag jelet, akkor vagy a kísérlet nem elég érzékeny ahhoz, hogy meghallja a jelet a zaj felett, vagy nincs sötét anyag a megfelelő axion tömegtartományban.
Amikor ez megtörténik, beállítunk egy „kizárási határt” – ami csak egy módja annak, hogy „nem találtunk sötét anyagot ebben a tömegtartományban, ilyen érzékenységi szinten”. Ez arra utasítja a sötét anyag kutatói közösség többi tagját, hogy kutatásaikat máshová irányítsák.
Az ORGAN a legérzékenyebb kísérlet a megcélzott frekvenciatartományában. A legutóbbi futtatása nem észlelt sötét anyag jeleket. Ez az eredmény fontos kizárási korlátot szabott a lehetséges jellemzőkre vonatkozóan az axionok.
Ez az első fázisa egy többéves tervnek az axionok felkutatására. Jelenleg a következő kísérletet készítjük elő, amely érzékenyebb lesz, és egy új, még feltáratlan tömegtartományt céloz meg.
De miért számít a sötét anyag?
Nos, a történelemből tudjuk, hogy amikor az alapvető fizikába fektetünk be, akkor a végén fontos technológiákat fejlesztünk ki. Például minden modern számítástechnika a kvantummechanikával kapcsolatos ismereteinkre támaszkodik.
Soha nem fedeztük volna fel az elektromosságot vagy a rádióhullámokat, ha nem foglalkozunk olyan dolgokkal, amelyek akkoriban felfoghatatlanul furcsa fizikai jelenségeknek tűntek. A sötét anyag ugyanaz.
Tekintsük mindazt, amit az emberek elértek azzal, hogy az univerzum anyagának csak egyhatodát értjük – és képzeljük el, mit tehetnénk, ha a többit feloldanánk.
Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.
