นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียกำลังก้าวไปสู่การไขความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของจักรวาล นั่นคือธรรมชาติของสสารมืดที่มองไม่เห็น
ORGAN Experiment ซึ่งเป็นเครื่องตรวจจับสสารมืดรายใหญ่แห่งแรกของออสเตรเลีย เพิ่งเสร็จสิ้นการค้นหาอนุภาคสมมุติที่เรียกว่าแอกเซียน ซึ่งเป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมในหมู่ทฤษฎีที่พยายามอธิบายสสารมืด
ORGAN ได้กำหนดข้อจำกัดใหม่เกี่ยวกับลักษณะเฉพาะที่เป็นไปได้ของแกน ซึ่งช่วยจำกัดการค้นหาให้แคบลง แต่ก่อนที่เราจะก้าวไปข้างหน้า...
มาเริ่มกันที่เรื่องราว
เมื่อประมาณ 14 พันล้านปีก่อน สสารเล็กๆ ทั้งหมด—อนุภาคพื้นฐานที่จะกลายเป็นคุณ ดาวเคราะห์ และกาแล็กซีในเวลาต่อมา—ถูกบีบอัดให้กลายเป็นบริเวณร้อนที่หนาแน่นมากแห่งเดียว
จากนั้นบิ๊กแบงก็เกิดขึ้นและทุกอย่างก็แยกย้ายกันไป อนุภาคเหล่านี้รวมกันเป็นอะตอม ซึ่งในที่สุดก็จับกลุ่มกันเพื่อสร้างดาว ซึ่งระเบิดและสร้างสสารแปลกปลอมทุกชนิด
หลังจากนั้นไม่กี่พันล้านปีก็มาถึงโลก ซึ่งในที่สุดก็คลานไปกับสิ่งเล็กๆ ที่เรียกว่ามนุษย์ เรื่องเย็นใช่มั้ย? ปรากฎว่าไม่ใช่เรื่องทั้งหมด ยังไม่ถึงครึ่ง
ผู้คน ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และกาแล็กซีล้วนสร้างจากสสารปกติ แต่เรารู้ว่าสสารปกติคิดเป็น XNUMX ใน XNUMX ของสสารทั้งหมดในจักรวาล
ส่วนที่เหลือทำจากสิ่งที่เราเรียกว่าสสารมืด ชื่อของมันบอกคุณเกือบทุกอย่างที่เรารู้เกี่ยวกับมัน มันไม่เปล่งแสงออกมา (เราจึงเรียกมันว่ามืด) และมีมวล (เราจึงเรียกมันว่าสสาร)
ถ้ามันมองไม่เห็น เราจะรู้ได้อย่างไรว่ามันอยู่ที่นั่น?
เมื่อเราสังเกตการเคลื่อนที่ของสิ่งต่าง ๆ ในอวกาศ เราจะพบครั้งแล้วครั้งเล่าที่เราไม่สามารถอธิบายการสังเกตของเราได้ หากเราพิจารณาเฉพาะสิ่งที่เราเห็นเท่านั้น
กาแล็กซีที่หมุนได้เป็นตัวอย่างที่ดี ดาราจักรส่วนใหญ่หมุนด้วยความเร็วที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแรงดึงดูดจากสสารที่มองเห็นเพียงอย่างเดียว
ดังนั้นจะต้องมีสสารมืดในดาราจักรเหล่านี้ ทำให้เกิดแรงโน้มถ่วงเป็นพิเศษและทำให้พวกมันหมุนเร็วขึ้น—โดยที่ชิ้นส่วนต่างๆ จะไม่หลุดออกไปในอวกาศ เราคิดว่าสสารมืดยึดกาแล็กซีไว้ด้วยกันอย่างแท้จริง
ดังนั้นจะต้องมีสสารมืดจำนวนมหาศาลในจักรวาล ดึงเอาทุกสิ่งที่เราเห็น มันผ่านคุณไปเหมือนกัน เหมือนผีจักรวาล คุณไม่สามารถรู้สึกได้
เราจะตรวจจับได้อย่างไร?
นักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่าสสารมืดอาจประกอบด้วยอนุภาคสมมุติฐานที่เรียกว่าแอกเซียน เดิมที Axions ถูกเสนอให้เป็นส่วนหนึ่งของการแก้ปัญหาสำคัญอื่นในฟิสิกส์อนุภาคที่เรียกว่าปัญหา CP ที่แข็งแกร่ง (ซึ่งเราสามารถเขียนบทความทั้งหมดได้)
อย่างไรก็ตาม หลังจากการเสนอ axion นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่าอนุภาคสามารถประกอบเป็นสสารมืดได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ นั่นเป็นเพราะคาดว่า axions จะมีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอมากกับสสารปกติ แต่ก็ยังมีมวลอยู่บ้าง: สองเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับสสารมืด
คุณจะค้นหา axions ได้อย่างไร?
เนื่องจากคิดว่าสสารมืดอยู่รอบตัวเรา เราจึงสามารถสร้างเครื่องตรวจจับได้บนโลกนี้ และโชคดีที่ทฤษฎีที่ทำนาย axions ยังทำนายว่า axions สามารถแปลงเป็นโฟตอน (อนุภาคของแสง) ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม
นี่เป็นข่าวดี เพราะเราเก่งในการตรวจจับโฟตอน และนี่คือสิ่งที่ ORGAN ทำ มันออกแบบเงื่อนไขที่ถูกต้องสำหรับการแปลง axion-photon และมองหาสัญญาณโฟตอนที่อ่อนแอ - แสงวาบเล็กน้อยที่เกิดจากสสารมืดที่ผ่านเครื่องตรวจจับ
การทดลองประเภทนี้เรียกว่า axion haloscope และเสนอครั้งแรกใน 1980s. มีไม่กี่แห่งในโลกนี้ซึ่งแต่ละแห่งแตกต่างกันเล็กน้อยในด้านที่สำคัญ
ส่องแสงบนสสารมืด
เชื่อว่า axion จะแปลงเป็นโฟตอนเมื่อมีสนามแม่เหล็กแรงสูง ในฮาโลสโคปทั่วไป เราสร้างสนามแม่เหล็กนี้โดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่เรียกว่าโซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวด
ภายในสนามแม่เหล็ก เราวางช่องโลหะกลวงหนึ่งช่องหรือหลายช่อง ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อดักจับโฟตอนและทำให้พวกมันกระเด้งไปมาภายใน ทำให้ตรวจจับได้ง่ายขึ้น
อย่างไรก็ตาม มีอาการสะอึกอยู่อย่างหนึ่ง ทุกอย่างที่มีอุณหภูมิจะปล่อยแสงแฟลชแบบสุ่มเล็กๆ ออกมาอย่างต่อเนื่อง (ซึ่งเป็นสาเหตุที่กล้องถ่ายภาพความร้อนทำงาน) การปล่อยหรือเสียงรบกวนแบบสุ่มเหล่านี้ทำให้ตรวจจับสัญญาณสสารมืดจาง ๆ ที่เรากำลังมองหาได้ยากขึ้น
เพื่อแก้ปัญหานี้ เราได้วางเรโซเนเตอร์ของเราไว้ในตู้เย็นแบบเจือจาง ตู้เย็นแฟนซีนี้ทำให้การทดลองเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เย็นจัด ประมาณ −273°C ซึ่งช่วยลดเสียงรบกวนได้อย่างมาก
ยิ่งการทดลองเย็นลงเท่าใด เรายิ่งสามารถ "ฟัง" โฟตอนจางๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการแปลงสสารมืดได้ดียิ่งขึ้น
กำหนดเป้าหมายภูมิภาคจำนวนมาก
แกนของมวลจำนวนหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นโฟตอนที่มีความถี่หรือสีที่แน่นอน แต่เนื่องจากไม่ทราบมวลของแอกซอน การทดลองจึงต้องกำหนดเป้าหมายการค้นหาไปยังภูมิภาคต่างๆ โดยเน้นที่ส่วนที่ถือว่าสสารมืดมีแนวโน้มว่าจะมีอยู่มากกว่า
หากไม่พบสัญญาณสสารมืด แสดงว่าการทดลองนั้นไม่มีความไวเพียงพอที่จะได้ยินสัญญาณเหนือเสียงนั้น หรือไม่มีสสารมืดในบริเวณมวลแกนที่สอดคล้องกัน
เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น เราได้กำหนด "ขีดจำกัดการยกเว้น" ซึ่งเป็นเพียงวิธีพูดว่า "เราไม่พบสสารมืดในช่วงมวลนี้ จนถึงระดับความไวนี้" สิ่งนี้บอกชุมชนวิจัยสสารมืดที่เหลือให้นำการค้นหาไปที่อื่น
ORGAN เป็นการทดลองที่ละเอียดอ่อนที่สุดในช่วงความถี่เป้าหมาย การทำงานล่าสุดไม่พบสัญญาณสสารมืด ผลลัพธ์นี้ได้กำหนดขีดจำกัดการยกเว้นที่สำคัญเกี่ยวกับคุณลักษณะที่เป็นไปได้ ของแกน.
นี่เป็นระยะแรกของแผนหลายปีในการค้นหา axions ขณะนี้ เรากำลังเตรียมการทดสอบครั้งต่อไป ซึ่งจะมีความละเอียดอ่อนมากขึ้นและกำหนดเป้าหมายช่วงมวลใหม่ที่ยังไม่ได้สำรวจ
แต่ทำไมสสารมืดถึงมีความสำคัญ?
อย่างแรก เรารู้จากประวัติศาสตร์ว่าเมื่อเราลงทุนในฟิสิกส์พื้นฐาน เราจะลงเอยด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น การคำนวณสมัยใหม่ทั้งหมดอาศัยความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม
เราจะไม่มีวันค้นพบไฟฟ้าหรือคลื่นวิทยุ หากเราไม่ไล่ตามสิ่งต่าง ๆ ซึ่งในขณะนั้นดูเหมือนจะเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่แปลกประหลาดเกินกว่าที่เราเข้าใจ สสารมืดก็เหมือนกัน
พิจารณาทุกสิ่งที่มนุษย์ทำสำเร็จด้วยการทำความเข้าใจเพียงหนึ่งในหกของสสารในจักรวาล และลองนึกภาพว่าเราจะทำอะไรได้บ้างหากเราปลดล็อกส่วนที่เหลือ
บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.
เครดิตภาพ: การทำงานร่วมกันของ Illustris
