Avstralski znanstveniki si prizadevajo rešiti eno največjih skrivnosti vesolja: naravo nevidne temne snovi.
Eksperiment ORGAN, prvi večji detektor temne snovi v Avstraliji, je pred kratkim zaključil iskanje hipotetičnega delca, imenovanega aksion – priljubljenega kandidata med teorijami, ki poskušajo razložiti temno snov.
ORGAN je postavil nove meje možnim značilnostim aksionov in tako pomagal zožiti njihovo iskanje. Toda preden gremo naprej ...
Začnimo z zgodbo
Pred približno 14 milijardami let so bili vsi majhni delci materije – temeljni delci, ki boste pozneje postali vi, planet in galaksija – stisnjeni v eno zelo gosto, vroče območje.
Potem se je zgodil Veliki pok in vse je letelo narazen. Delci so se združili v atome, ki so se na koncu združili v zvezde, ki so eksplodirale in ustvarile vse vrste eksotične snovi.
Po nekaj milijardah let je prišla Zemlja, ki je sčasoma polna majhnih stvari, imenovanih ljudje. Kul zgodba, kajne? Izkazalo se je, da to ni celotna zgodba; niti pol ni.
Ljudje, planeti, zvezde in galaksije so narejeni iz navadne snovi. Vemo pa, da navadna snov predstavlja le eno šestino vse snovi v vesolju.
Preostanek je sestavljen iz tega, kar imenujemo temna snov. Njegovo ime pove skoraj vse, kar vemo o njem. Ne oddaja svetlobe (zato ji pravimo temno) in ima maso (zato ji pravimo snov).
Če je nevidno, kako vemo, da je tam?
Ko opazujemo, kako se stvari gibljejo v prostoru, vedno znova ugotovimo, da svojih opazovanj ne moremo pojasniti, če upoštevamo samo tisto, kar vidimo.
Vrteče se galaksije so odličen primer. Večina galaksij se vrti s hitrostjo, ki je ni mogoče razložiti zgolj z gravitacijo vidne snovi.
Torej mora biti v teh galaksijah temna snov, ki zagotavlja dodatno gravitacijo in jim omogoča hitrejše vrtenje – ne da bi dele odletelo v vesolje. Menimo, da temna snov dobesedno drži galaksije skupaj.
Torej mora obstajati ogromna količina temne snovi v vesolju, ki vleče nase vse stvari, ki jih lahko vidimo. Tudi skozi vas gre, kot nekakšen vesoljski duh. Tega preprosto ne čutiš.
Kako bi ga lahko odkrili?
Mnogi znanstveniki verjamejo, da bi lahko bila temna snov sestavljena iz hipotetičnih delcev, imenovanih aksioni. Aksioni so bili prvotno predlagani kot del rešitve drugega velikega problema v fiziki delcev, imenovanega problem močnega CP (o katerem bi lahko napisali cel članek).
Kakorkoli že, potem ko je bil predlagan aksion, so znanstveniki ugotovili, da lahko delec pod določenimi pogoji tvori tudi temno snov. To je zato, ker se pričakuje, da imajo aksioni zelo šibke interakcije z običajno snovjo, vendar imajo še vedno nekaj mase: dva pogoja, potrebna za temno snov.
Kako se torej lotiti iskanja aksionov?
No, ker se domneva, da je temna snov povsod okoli nas, lahko izdelamo detektorje kar tukaj na Zemlji. In na srečo teorija, ki napoveduje aksije, predvideva tudi, da se lahko aksioni pod pravimi pogoji pretvorijo v fotone (delce svetlobe).
To je dobra novica, saj smo odlični pri zaznavanju fotonov. In prav to počne ORGAN. Oblikuje pravilne pogoje za aksionsko-fotonsko pretvorbo in išče šibke fotonske signale – majhne utripe svetlobe, ki jih ustvari temna snov, ki gre skozi detektor.
Tovrsten poskus se imenuje aksionski haloskop in je bil prvič predlagan v 1980s. Danes jih je na svetu nekaj, od katerih se vsak nekoliko razlikuje v pomembnih pogledih.
Osvetlitev temne snovi
Menijo, da se aksion pretvori v foton v prisotnosti močnega magnetnega polja. V tipičnem haloskopu ustvarimo to magnetno polje z uporabo velikega elektromagneta, imenovanega superprevodni solenoid.
Znotraj magnetnega polja postavimo eno ali več votlih kovinskih komor, ki so namenjene lovljenju fotonov in povzročanju njihovega odbijanja po notranjosti, zaradi česar jih je lažje zaznati.
Vendar pa obstaja ena napaka. Vse, kar ima temperaturo, nenehno oddaja majhne naključne bliske svetlobe (zato termovizijske kamere delujejo). Zaradi teh naključnih emisij ali hrupa je težje zaznati šibke signale temne snovi, ki jih iščemo.
Da bi se temu izognili, smo naš resonator postavili v hladilnik za redčenje. Ta modni hladilnik ohladi eksperiment na kriogene temperature, približno –273 °C, kar močno zmanjša hrup.
Čim hladnejši je poskus, tem bolje lahko »poslušamo« šibke fotone, ki nastanejo med pretvorbo temne snovi.
Ciljanje na množične regije
Aksion določene mase se bo pretvoril v foton določene frekvence ali barve. Ker pa masa aksionov ni znana, morajo poskusi svoje iskanje usmeriti na različne regije, pri čemer se osredotočajo na tiste, kjer je verjetneje, da obstaja temna snov.
Če ni najden signal temne snovi, poskus ni dovolj občutljiv, da bi slišal signal nad šumom, ali pa v ustreznem območju mase aksiona ni temne snovi.
Ko se to zgodi, nastavimo "mejo izključitve" - kar je le način, da rečemo, "nismo našli nobene temne snovi v tem masnem območju, na tej ravni občutljivosti." To ostalim raziskovalcem temne snovi sporoča, naj svoja iskanja usmerijo drugam.
ORGAN je najbolj občutljiv eksperiment v svojem ciljnem frekvenčnem območju. Njegov nedavni zagon ni zaznal nobenih signalov temne snovi. Ta rezultat je postavil pomembno mejo izključitve možnih značilnosti aksionov.
To je prva faza večletnega načrta iskanja aksionov. Trenutno pripravljamo naslednji eksperiment, ki bo bolj občutljiv in bo ciljal na nov, še neraziskan masni razpon.
Toda zakaj je temna snov pomembna?
No, kot prvo, iz zgodovine vemo, da ko vlagamo v temeljno fiziko, na koncu razvijemo pomembne tehnologije. Na primer, vse sodobno računalništvo temelji na našem razumevanju kvantne mehanike.
Nikoli ne bi odkrili elektrike ali radijskih valov, če ne bi zasledovali stvari, ki so se takrat zdele nenavadni fizikalni pojavi, ki jih ne razumemo. Temna snov je enaka.
Razmislite o vsem, kar so ljudje dosegli z razumevanjem le ene šestine materije v vesolju – in si predstavljajte, kaj bi lahko storili, če bi odklenili ostalo.
Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.
Kreditno slike: Sodelovanje Illustris
