Przekształcanie niewidzialnej ciemnej materii w światło widzialne

Gromada galaktyk po lewej stronie, z widocznym pierścieniem ciemnej materii po prawej. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, MJ Jee i H. Ford (Uniwersytet Johnsa Hopkinsa)

Badania ciemnej materii postępują naprzód przy użyciu nowych technik eksperymentalnych zaprojektowanych do wykrywania osi oraz wykorzystania zaawansowanej technologii i współpracy interdyscyplinarnej w celu odkrycia tajemnic tego nieuchwytnego składnika wszechświata.

Duch nawiedza nasz świat. Jest to znane w astronomii i kosmologii od dziesięcioleci. Notatki Sugeruję to około 85% Cała materia we wszechświecie jest tajemnicza i niewidzialna. Te dwie cechy znajdują odzwierciedlenie w jego nazwie: ciemna materia.

Kilka eksperymentów Chcą odkryć ich składniki, ale pomimo dziesięcioleci badań naukowcom nie udało się. Teraz Nasze nowe doświadczeniew budowie w Uniwersytet Yale W Stanach Zjednoczonych proponuje nową taktykę.

Ciemna materia otacza Wszechświat od zarania dziejów. Połącz gwiazdy i galaktyki. Niewidzialny i subtelny, nie wydaje się oddziaływać ze światłem ani żadnym innym rodzajem materii. Tak naprawdę powinno to być coś zupełnie nowego.

Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych jest niekompletny i to jest problem. Musimy szukać nowego Cząstki podstawowe. Co zaskakujące, te same wady standardowego modelu dają cenne wskazówki na temat tego, gdzie mogą się ukrywać.

Problem z neutronem

Weźmy na przykład neutron. Tworzy jądro atomowe z protonem. Chociaż ogólnie jest neutralny, teoria głosi, że składa się z trzech naładowanych cząstek zwanych kwarkami. Z tego powodu spodziewamy się, że niektóre części neutronu będą naładowane dodatnio, a inne ujemnie, co oznacza, że ​​miał on coś, co fizycy nazywają elektrycznym momentem dipolowym.

Do teraz, Wiele prób Pomiary doprowadziły do ​​tego samego wniosku: jest zbyt mała, aby można ją było odkryć. Kolejny duch. Nie mówimy o brakach w instrumentach, ale raczej o współczynniku, który musi być mniejszy niż jedna część na dziesięć miliardów. Jest tak mała, że ​​ludzie zastanawiają się, czy mogłaby wynosić całkowite zero.

Ale w fizyce matematyczne zero jest zawsze mocnym stwierdzeniem. Pod koniec lat siedemdziesiątych fizycy cząstek Roberto Picci i Helen Coyne (a później Frank Wilczek i Steven Weinberg) próbowali odkryć Zrozumienie teorii i dowodów.

Zasugerowali, że parametr prawdopodobnie nie wynosi zero. Jest to raczej wielkość dynamiczna, która powoli traci swój ładunek, a następnie ewoluuje do zera wielka eksplozja. Obliczenia teoretyczne pokazują, że jeśli takie zdarzenie miało miejsce, musiało pozostawić po sobie dużą liczbę iluzorycznych cząstek światła.

Nazywa się je „aksjonami” od marki detergentów, ponieważ mogą „rozwiązać” problem neutronów. I nawet więcej. Jeśli aksjony powstały na początku wszechświata, istnieją od tego czasu. Co najważniejsze, jej właściwości definiują wszystkie oczekiwane pierwiastki ciemnej materii. Z tych powodów węzły stały się jednym z nich Preferowane cząstki kandydujące Dla ciemnej materii.

Aksjony będą oddziaływać z innymi cząsteczkami jedynie słabo. Oznacza to jednak, że nadal będą ze sobą dość często współdziałać. Niewidzialne osie potrafią przekształcić się w zwykłe cząstki, w tym – jak na ironię – fotony, czyli esencję światła. Może się to zdarzyć w pewnych warunkach, takich jak obecność pola magnetycznego. To dar niebios dla fizyków doświadczalnych.

Eksperymentalny projekt

Wiele eksperymentów Próbują wyczarować ducha Axion w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym. Niektóre z nich mają na celu na przykład zamianę światła na oś, a następnie przekształcenie osi w światło po drugiej stronie ściany.

Obecnie najbardziej czułe podejście skupia się na halo ciemnej materii, które przenika galaktykę (a tym samym Ziemię) za pomocą urządzenia zwanego koroną. Jest to przewodząca wnęka zanurzona w silnym polu magnetycznym. Ta pierwsza wychwytuje otaczającą nas ciemną materię (zakładając, że są to aksony), podczas gdy druga powoduje, że zamienia się ona w światło. Rezultatem jest sygnał elektromagnetyczny, który pojawia się wewnątrz wnęki i oscyluje z charakterystyczną częstotliwością zależną od masy osi.

System działa jak odbiornik radiowy. Musi być odpowiednio dostosowany, aby przechwytywać interesującą częstotliwość. W praktyce wymiary wnęki są zmieniane, aby dostosować się do różnych częstotliwości charakterystycznych. Jeśli częstotliwości osi i wnęki nie są zgodne, jest to jak przestrojenie radia na niewłaściwy kanał.

Potężny magnes zostaje przetransportowany do laboratorium na Uniwersytecie Yale. Źródło: Uniwersytet Yale

Niestety, kanału, którego szukamy, nie da się z góry przewidzieć. Nie mamy innego wyjścia, jak tylko przeskanować wszystkie możliwe częstotliwości. To jak wybierać stację radiową w morzu białego szumu – igłę w stogu siana – ze starym radiem, które za każdym razem, gdy obracamy pokrętło częstotliwości, trzeba je powiększyć lub zmniejszyć.

Jednak to nie jedyne wyzwania. Kosmologia odnosi się do Dziesiątki gigaherców Jako ostatnia obiecująca granica poszukiwań osi. Ponieważ wyższe częstotliwości wymagają mniejszych wnęk, badanie tego obszaru wymagałoby wnęk, które są zbyt małe, aby uchwycić znaczącą ilość sygnału.

Nowe eksperymenty próbują znaleźć alternatywne ścieżki. nasz Eksperyment z plazmoskopem podłużnym (Alfa). Wykorzystuje nową koncepcję kawitacji opartą na metamateriały.

Metamateriały to materiały kompozytowe o uniwersalnych właściwościach, które różnią się od ich składników – są czymś więcej niż sumą ich części. Wnęka wypełniona przewodzącymi prętami uzyskuje wyraźną częstotliwość, jakby była milion razy mniejsza, a jej rozmiar prawie się nie zmienia. To jest dokładnie to, czego potrzebujemy. Dodatkowo drążki posiadają wbudowany, łatwy w regulacji system regulacji.

Obecnie budujemy instalację, która za kilka lat będzie gotowa do odbioru danych. Technologia jest obiecująca. Jego rozwój był wynikiem współpracy fizyków ciała stałego, inżynierów elektryków, fizyków cząstek, a nawet matematyków.

Chociaż jest to naciągane, aksje napędzają postęp, którego żadne widmo nigdy nie będzie w stanie wyeliminować.

Napisane przez Andreę Gallo Russo, stażystę podoktorskiego z fizyki na Uniwersytecie w Sztokholmie.

Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.