Australijscy naukowcy robią postępy w kierunku rozwiązania jednej z największych tajemnic wszechświata: natury niewidzialnej ciemnej materii.
Eksperyment ORGAN, pierwszy duży detektor ciemnej materii w Australii, niedawno zakończył poszukiwania hipotetycznej cząstki zwanej aksionem – popularnej kandydatki wśród teorii próbujących wyjaśnić ciemną materię.
ORGAN nałożył nowe ograniczenia na możliwe cechy aksjonów, pomagając w ten sposób zawęzić poszukiwania. Ale zanim wyprzedzimy siebie…
Zacznijmy od historii
Około 14 miliardów lat temu wszystkie małe kawałki materii – fundamentalne cząstki, które później staną się tobą, planetą i galaktyką – zostały skompresowane w jeden bardzo gęsty, gorący obszar.
Potem nastąpił Wielki Wybuch i wszystko się rozpadło. Cząstki połączyły się w atomy, które w końcu połączyły się, tworząc gwiazdy, które eksplodowały i tworzyły wszelkiego rodzaju egzotyczną materię.
Po kilku miliardach lat pojawiła się Ziemia, na której w końcu roiło się od małych istot zwanych ludźmi. Fajna historia, prawda? Okazuje się, że to nie cała historia; to nie jest nawet połowa.
Ludzie, planety, gwiazdy i galaktyki składają się ze zwykłej materii. Ale wiemy, że zwykła materia stanowi zaledwie jedną szóstą całej materii we wszechświecie.
Reszta składa się z tego, co nazywamy ciemną materią. Jego nazwa mówi prawie wszystko, co o nim wiemy. Nie emituje światła (więc nazywamy to ciemną) i ma masę (więc nazywamy to materią).
Jeśli jest niewidoczne, skąd wiemy, że tam jest?
Kiedy obserwujemy sposób, w jaki rzeczy poruszają się w przestrzeni, raz po raz odkrywamy, że nie możemy wyjaśnić naszych obserwacji, jeśli weźmiemy pod uwagę tylko to, co widzimy.
Świetnym przykładem są wirujące galaktyki. Większość galaktyk obraca się z prędkościami, których nie można wytłumaczyć przyciąganiem grawitacyjnym z samej tylko widzialnej materii.
W tych galaktykach musi więc znajdować się ciemna materia, zapewniająca dodatkową grawitację i umożliwiająca im szybszy obrót – bez wyrzucania części w kosmos. Uważamy, że ciemna materia dosłownie spaja galaktyki.
Więc we wszechświecie musi być ogromna ilość ciemnej materii, ciągnącej wszystko, co możemy zobaczyć. Przechodzi też przez ciebie, jak jakiś kosmiczny duch. Po prostu tego nie czujesz.
Jak możemy to wykryć?
Wielu naukowców uważa, że ciemna materia może składać się z hipotetycznych cząstek zwanych aksjonami. Aksiony zostały pierwotnie zaproponowane jako część rozwiązania innego ważnego problemu w fizyce cząstek elementarnych, zwanego silnym problemem CP (o którym moglibyśmy napisać cały artykuł).
W każdym razie po zaproponowaniu aksjonu naukowcy zdali sobie sprawę, że cząstka może również tworzyć ciemną materię w określonych warunkach. Dzieje się tak, ponieważ oczekuje się, że aksjony będą miały bardzo słabe interakcje z regularną materią, ale nadal mają pewną masę: dwa warunki potrzebne dla ciemnej materii.
Jak więc poszukujesz aksjonów?
Cóż, ponieważ uważa się, że ciemna materia jest wszędzie wokół nas, możemy zbudować detektory właśnie tutaj, na Ziemi. Na szczęście teoria przewidująca aksje przewiduje również, że w odpowiednich warunkach aksjony mogą przekształcić się w fotony (cząstki światła).
To dobra wiadomość, ponieważ jesteśmy świetni w wykrywaniu fotonów. I to jest dokładnie to, co robi ORGAN. Projektuje prawidłowe warunki konwersji aksjon-foton i szuka słabych sygnałów fotonowych — małych błysków światła generowanych przez ciemną materię przechodzącą przez detektor.
Ten rodzaj eksperymentu nazywa się haloskopem aksjonowym i został po raz pierwszy zaproponowany w 1980s. W dzisiejszym świecie jest ich kilka, a każdy z nich w istotny sposób różni się nieco.
Świecąc światłem na ciemną materię
Uważa się, że aksjon przekształca się w foton w obecności silnego pola magnetycznego. W typowym haloskopie to pole magnetyczne generujemy za pomocą dużego elektromagnesu zwanego nadprzewodnikowym solenoidem.
Wewnątrz pola magnetycznego umieszczamy jedną lub kilka wydrążonych metalowych komór, które mają za zadanie uwięzić fotony i sprawić, by odbijały się wewnątrz, ułatwiając ich wykrycie.
Jest jednak jedna czkawka. Wszystko, co ma temperaturę, stale emituje małe przypadkowe błyski światła (dlatego działają kamery termowizyjne). Te przypadkowe emisje lub szumy utrudniają wykrycie słabych sygnałów ciemnej materii, których szukamy.
Aby obejść ten problem, umieściliśmy nasz rezonator w lodówce do rozcieńczania. Ta fantazyjna lodówka chłodzi eksperyment do temperatur kriogenicznych, około -273°C, co znacznie zmniejsza hałas.
Im zimniejszy jest eksperyment, tym lepiej możemy „nasłuchiwać” słabych fotonów wytwarzanych podczas konwersji ciemnej materii.
Kierowanie na regiony masowe
Aksja o określonej masie zamieni się w foton o określonej częstotliwości lub kolorze. Ale ponieważ masa aksjonów jest nieznana, eksperymenty muszą kierować swoje poszukiwania na różne regiony, skupiając się na tych, w których ciemna materia jest uważana za bardziej prawdopodobną.
Jeśli nie zostanie znaleziony sygnał ciemnej materii, oznacza to, że albo eksperyment nie jest wystarczająco czuły, aby usłyszeć sygnał powyżej szumu, albo nie ma ciemnej materii w odpowiednim obszarze masy aksionowej.
Kiedy tak się dzieje, ustalamy „limit wykluczenia” – co jest po prostu sposobem na powiedzenie „nie znaleźliśmy żadnej ciemnej materii w tym zakresie mas, na tym poziomie czułości”. To mówi reszcie społeczności badawczej ciemnej materii, aby skierowała swoje poszukiwania gdzie indziej.
ORGAN to najbardziej czuły eksperyment w docelowym zakresie częstotliwości. Jego ostatni przebieg nie wykrył sygnałów ciemnej materii. Ten wynik ustanowił ważny limit wykluczenia możliwych cech aksjonów.
To pierwsza faza wieloletniego planu poszukiwania aksjonów. Obecnie przygotowujemy kolejny eksperyment, który będzie bardziej czuły i będzie miał na celu nowy, jeszcze niezbadany zakres mas.
Ale dlaczego ciemna materia ma znaczenie?
Cóż, po pierwsze, wiemy z historii, że kiedy inwestujemy w fizykę fundamentalną, w końcu opracowujemy ważne technologie. Na przykład wszystkie współczesne komputery opierają się na naszym zrozumieniu mechaniki kwantowej.
Nigdy byśmy nie odkryli elektryczności ani fal radiowych, gdybyśmy nie zajęli się rzeczami, które w tamtym czasie wydawały się dziwnymi zjawiskami fizycznymi, których nie potrafimy zrozumieć. Ciemna materia jest taka sama.
Rozważ wszystko, co ludzie osiągnęli, rozumiejąc tylko jedną szóstą materii we wszechświecie – i wyobraź sobie, co moglibyśmy zrobić, gdybyśmy odblokowali resztę.
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
Kredytowych Image: Współpraca z Illustris
