מדענים אוסטרלים מתקדמים בצעדים לקראת פתרון אחת התעלומות הגדולות ביותר של היקום: טבעו של החומר האפל הבלתי נראה.
ניסוי ORGAN, גלאי החומר האפל הגדול הראשון באוסטרליה, השלים לאחרונה חיפוש אחר חלקיק היפותטי הנקרא אקסיון - מועמד פופולרי בקרב תיאוריות המנסות להסביר את החומר האפל.
ORGAN הציבה מגבלות חדשות על המאפיינים האפשריים של אקסונים ובכך סייעה לצמצם את החיפוש אחריהם. אבל לפני שאנחנו מקדימים את עצמנו...
בואו נתחיל עם סיפור
לפני כ-14 מיליארד שנה, כל פיסות החומר הקטנות - החלקיקים הבסיסיים שיהפכו מאוחר יותר לך, לכוכב הלכת ולגלקסיה - נדחסו לאזור אחד צפוף וחם.
ואז קרה המפץ הגדול והכל התפרק. החלקיקים התאחדו לאטומים, שבסופו של דבר התקבצו יחד ויצרו כוכבים, שהתפוצצו ויצרו כל מיני חומר אקזוטי.
לאחר כמה מיליארדי שנים הגיע כדור הארץ, שבסופו של דבר זחל עם דברים קטנים שנקראים בני אדם. סיפור מגניב, נכון? מסתבר שזה לא כל הסיפור; זה אפילו לא חצי.
אנשים, כוכבי לכת, כוכבים וגלקסיות עשויים כולם מחומר רגיל. אבל אנחנו יודעים שחומר רגיל מהווה רק שישית מכל החומר ביקום.
השאר עשוי ממה שאנו מכנים חומר אפל. השם שלו אומר לך כמעט כל מה שאנחנו יודעים עליו. הוא לא פולט אור (אז אנחנו קוראים לזה כהה), ויש לו מסה (אז אנחנו קוראים לזה חומר).
אם זה בלתי נראה, איך אנחנו יודעים שזה שם?
כאשר אנו מתבוננים באופן שבו דברים נעים בחלל, אנו מגלים שוב ושוב שאיננו יכולים להסביר את התצפיות שלנו אם ניקח בחשבון רק את מה שאנו יכולים לראות.
גלקסיות מסתובבות הן דוגמה מצוינת. רוב הגלקסיות מסתובבות במהירויות שלא ניתן להסביר על ידי כוח הכבידה מחומר גלוי בלבד.
אז חייב להיות חומר אפל בגלקסיות האלה, המספק כוח משיכה נוסף ומאפשר להן להסתובב מהר יותר - מבלי שחלקים ייזרקו לחלל. אנחנו חושבים שחומר אפל ממש מחזיק גלקסיות ביחד.
אז חייבת להיות כמות עצומה של חומר אפל ביקום, המושכת את כל הדברים שאנו יכולים לראות. זה עובר גם דרכך, כמו איזו רוח רפאים קוסמית. אתה פשוט לא יכול להרגיש את זה.
איך יכולנו לזהות את זה?
מדענים רבים מאמינים שחומר אפל יכול להיות מורכב מחלקיקים היפותטיים הנקראים אקסיון. אקסונים הוצעו במקור כחלק מפתרון לבעיה מרכזית אחרת בפיזיקה של חלקיקים שנקראת בעיית ה-CP החזק (עליה נוכל לכתוב מאמר שלם).
בכל מקרה, לאחר שהאקסיון הוצע, מדענים הבינו שהחלקיק יכול להרכיב גם חומר אפל בתנאים מסוימים. הסיבה לכך היא שאקסיונים צפויים להיות בעלי אינטראקציות חלשות מאוד עם חומר רגיל, אך עדיין יש להם מסה מסוימת: שני התנאים הדרושים לחומר אפל.
אז איך אתה ממשיך בחיפוש אחר אקסונים?
ובכן, מכיוון שחומר אפל נחשב סביבנו, אנחנו יכולים לבנות גלאים ממש כאן על כדור הארץ. ולמרבה המזל, התיאוריה המנבאת אקסיונים גם מנבאת שאקסיונים יכולים להפוך לפוטונים (חלקיקי אור) בתנאים הנכונים.
אלו חדשות טובות, כי אנחנו מעולים בזיהוי פוטונים. וזה בדיוק מה ש-ORGAN עושה. הוא מהנדס את התנאים הנכונים להמרת אקסיון-פוטון ומחפש אותות פוטון חלשים - הבזקים קטנים של אור הנוצרים מחומר אפל העובר דרך הגלאי.
סוג זה של ניסוי נקרא הלווסקופ אקסיון והוצע לראשונה ב- 1980s. יש כמה בעולם כיום, כל אחד שונה במקצת במובנים חשובים.
מאיר אור על חומר אפל
מאמינים כי אקסיון ממיר לפוטון בנוכחות שדה מגנטי חזק. בהלוסקופ טיפוסי, אנו מייצרים את השדה המגנטי הזה באמצעות אלקטרומגנט גדול הנקרא סולנואיד מוליך-על.
בתוך השדה המגנטי אנו מניחים חדר חלול אחד או מספר מתכת, שנועדו ללכוד את הפוטונים ולגרום להם לקפוץ מבפנים, מה שמקל על זיהוים.
עם זאת, יש שיהוק אחד. כל מה שיש לו טמפרטורה כל הזמן פולט הבזקים אקראיים קטנים של אור (בגלל זה מצלמות הדמיה תרמיות עובדות). פליטות אקראיות אלו, או רעש, מקשות על זיהוי האותות הקלושים של החומר האפל שאנו מחפשים.
כדי לעקוף את זה, שמנו את התהוד שלנו במקרר דילול. המקרר המפואר הזה מקרר את הניסוי לטמפרטורות קריוגניות, כ-273 מעלות צלזיוס, מה שמפחית מאוד את הרעש.
ככל שהניסוי קר יותר, כך נוכל "להקשיב" טוב יותר לפוטונים חלשים שנוצרו במהלך המרת החומר האפל.
מיקוד לאזורי המונים
אקסיון במסה מסוימת תמיר לפוטון בתדירות מסוימת, או בצבע מסוים. אבל מכיוון שמסת האקסיות אינה ידועה, ניסויים חייבים למקד את החיפוש שלהם לאזורים שונים, תוך התמקדות באזורים שבהם חומר אפל נחשב יותר לקיים.
אם לא נמצא אות חומר אפל, או שהניסוי אינו רגיש מספיק כדי לשמוע את האות מעל הרעש, או שאין חומר אפל באזור מסת האקסיון המקביל.
כשזה קורה, אנחנו מגדירים "גבול הרחקה" - שזו רק דרך לומר "לא מצאנו שום חומר אפל בטווח המסה הזה, לרמת הרגישות הזו." זה אומר לשאר קהילת חוקרי החומר האפל לכוון את החיפושים שלהם למקום אחר.
ORGAN הוא הניסוי הרגיש ביותר בטווח התדרים הממוקד שלו. הריצה האחרונה שלו לא זיהתה שום אותות של חומר אפל. תוצאה זו קבעה מגבלה חשובה של אי הכללה על המאפיינים האפשריים של אקסונים.
זהו השלב הראשון של תוכנית רב שנתית לחיפוש אקסונים. אנו מכינים כעת את הניסוי הבא, שיהיה רגיש יותר ויתמקד בטווח מסה חדש שטרם נחקר.
אבל למה חומר אפל חשוב?
ובכן, למשל, אנו יודעים מההיסטוריה שכאשר אנו משקיעים בפיזיקה בסיסית, אנו בסופו של דבר מפתחים טכנולוגיות חשובות. לדוגמה, כל המחשוב המודרני מסתמך על ההבנה שלנו של מכניקת הקוונטים.
לעולם לא היינו מגלים חשמל, או גלי רדיו, אם לא היינו רודפים אחר דברים שנראו בזמנו כתופעות פיזיקליות מוזרות מעבר להבנתנו. החומר האפל הוא אותו דבר.
קחו בחשבון את כל מה שבני האדם השיגו על ידי הבנת רק שישית מהחומר ביקום - ודמיינו מה נוכל לעשות אם נשחרר את השאר.
מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.
תמונת אשראי: אילוסטריס שיתוף פעולה
