Oamenii de știință australieni fac pași către rezolvarea unuia dintre cele mai mari mistere ale universului: natura materiei întunecate invizibile.
Experimentul ORGAN, primul detector major de materie întunecată din Australia, a finalizat recent o căutare pentru o particulă ipotetică numită axion - un candidat popular printre teoriile care încearcă să explice materia întunecată.
ORGAN a impus noi limite asupra posibilelor caracteristici ale axionilor și astfel a ajutat la restrângerea căutării acestora. Dar înainte de a trece înaintea noastră...
Să începem cu o poveste
Cu aproximativ 14 miliarde de ani în urmă, toate bucățile mici de materie – particulele fundamentale care aveau să devină mai târziu tu, planeta și galaxia – au fost comprimate într-o regiune foarte densă și fierbinte.
Apoi s-a întâmplat Big Bang-ul și totul a zburat în bucăți. Particulele s-au combinat în atomi, care în cele din urmă s-au strâns împreună pentru a forma stele, care au explodat și au creat tot felul de materie exotică.
După câteva miliarde de ani a apărut Pământul, care în cele din urmă era plin de lucruri mărunte numite oameni. Frumoasă poveste, nu? Se pare că nu este toată povestea; nu e nici macar jumatate.
Oamenii, planetele, stelele și galaxiile sunt toate făcute din materie obișnuită. Dar știm că materia obișnuită reprezintă doar o șesime din toată materia din univers.
Restul este făcut din ceea ce numim materie întunecată. Numele său vă spune aproape tot ce știm despre el. Nu emite lumină (deci o numim întuneric) și are masă (deci îi numim materie).
Dacă este invizibil, de unde știm că este acolo?
Când observăm felul în care lucrurile se mișcă în spațiu, constatăm din când în când că nu ne putem explica observațiile dacă luăm în considerare doar ceea ce putem vedea.
Galaxiile care se rotesc sunt un exemplu grozav. Majoritatea galaxiilor se rotesc cu viteze care nu pot fi explicate doar prin atracția gravitațională a materiei vizibile.
Deci trebuie să existe materie întunecată în aceste galaxii, oferind un plus de gravitație și permițându-le să se rotească mai repede, fără ca părțile să fie aruncate în spațiu. Credem că materia întunecată ține literalmente galaxiile împreună.
Deci trebuie să existe o cantitate enormă de materie întunecată în univers, care atrage toate lucrurile pe care le putem vedea. Trece și prin tine, ca un fel de fantomă cosmică. Pur și simplu nu poți simți.
Cum am putea-o detecta?
Mulți oameni de știință cred că materia întunecată ar putea fi compusă din particule ipotetice numite axioni. Axionii au fost propuși inițial ca parte a unei soluții la o altă problemă majoră din fizica particulelor numită problema CP puternică (despre care am putea scrie un articol întreg).
Oricum, după ce axionul a fost propus, oamenii de știință și-au dat seama că particula ar putea forma și materie întunecată în anumite condiții. Asta pentru că se așteaptă că axioanele vor avea interacțiuni foarte slabe cu materia obișnuită, dar au totuși o anumită masă: cele două condiții necesare pentru materia întunecată.
Deci, cum te descurci în căutarea axioanelor?
Ei bine, din moment ce se crede că materia întunecată este peste tot în jurul nostru, putem construi detectoare chiar aici, pe Pământ. Și, din fericire, teoria care prezice axionii prezice, de asemenea, că axionii se pot transforma în fotoni (particule de lumină) în condițiile potrivite.
Aceasta este o veste bună, pentru că suntem grozavi la detectarea fotonilor. Și asta este exact ceea ce face ORGAN. Proiectează condițiile corecte pentru conversia axion-foton și caută semnale fotone slabe - fulgerări mici de lumină generate de materia întunecată care trece prin detector.
Acest tip de experiment se numește haloscop axion și a fost propus pentru prima dată în Anii 1980. Există câteva în lume astăzi, fiecare ușor diferită în moduri importante.
Strălucește o lumină asupra materiei întunecate
Se crede că un axion se transformă într-un foton în prezența unui câmp magnetic puternic. Într-un haloscop tipic, generăm acest câmp magnetic folosind un electromagnet mare numit solenoid supraconductor.
În interiorul câmpului magnetic plasăm una sau mai multe camere goale de metal, care sunt menite să prindă fotonii și să îi facă să sară în interior, făcându-i mai ușor de detectat.
Cu toate acestea, există un singur sughiț. Tot ceea ce are o temperatură emite în mod constant mici sclipiri aleatorii de lumină (de aceea funcționează camerele termice). Aceste emisii aleatorii, sau zgomot, fac mai dificilă detectarea semnalelor slabe de materie întunecată pe care le căutăm.
Pentru a rezolva asta, ne-am plasat rezonatorul într-un frigider cu diluție. Acest frigider elegant răcește experimentul la temperaturi criogenice, aproximativ -273°C, ceea ce reduce foarte mult zgomotul.
Cu cât experimentul este mai rece, cu atât putem „asculta” mai bine fotonii slabi produși în timpul conversiei materiei întunecate.
Vizarea regiunilor de masă
Un axion cu o anumită masă se va transforma într-un foton cu o anumită frecvență sau culoare. Dar, deoarece masa axionilor este necunoscută, experimentele trebuie să vizeze căutarea lor către diferite regiuni, concentrându-se pe acelea în care materia întunecată este considerată mai probabil să existe.
Dacă nu se găsește niciun semnal de materie întunecată, atunci fie experimentul nu este suficient de sensibil pentru a auzi semnalul deasupra zgomotului, fie nu există materie întunecată în regiunea corespunzătoare a masei axionului.
Când se întâmplă acest lucru, stabilim o „limită de excludere” – care este doar un mod de a spune „nu am găsit nicio materie întunecată în acest interval de masă, la acest nivel de sensibilitate”. Acest lucru îi spune restului comunității de cercetare a materiei întunecate să-și orienteze căutările în altă parte.
ORGAN este cel mai sensibil experiment din gama de frecvențe vizate. Runda sa recentă nu a detectat semnale de materie întunecată. Acest rezultat a stabilit o limită importantă de excludere a posibilelor caracteristici a axionilor.
Aceasta este prima fază a unui plan multianual de căutare a axionilor. În prezent, pregătim următorul experiment, care va fi mai sensibil și va viza o gamă de masă nouă, încă neexplorată.
Dar de ce contează materia întunecată?
Ei bine, unul, știm din istorie că atunci când investim în fizica fundamentală, ajungem să dezvoltăm tehnologii importante. De exemplu, toate calculatoarele moderne se bazează pe înțelegerea noastră a mecanicii cuantice.
Nu am fi descoperit niciodată electricitatea, sau undele radio, dacă nu am urmări lucruri care, la acea vreme, păreau a fi fenomene fizice ciudate dincolo de înțelegerea noastră. Materia întunecată este aceeași.
Luați în considerare tot ce au realizat oamenii înțelegând doar o șesime din materia din univers și imaginați-vă ce am putea face dacă am debloca restul.
Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.
Credit imagine: Colaborarea Illustris
