A láthatatlan sötét anyag átalakítása látható fénnyé

Galaxishalmaz balra, sötét anyag gyűrűvel, jobbra. A kép jóváírása: NASA, ESA, MJ Jee és H. Ford (Johns Hopkins Egyetem)

A sötét anyag felfedezése a tengelyek észlelésére tervezett új kísérleti technikák, valamint a fejlett technológia és az interdiszciplináris együttműködés segítségével halad előre az univerzum e megfoghatatlan alkotóelemének titkainak feltárására.

Egy szellem kísérti világunkat. Ez évtizedek óta ismert a csillagászatban és a kozmológiában. Megjegyzések azt javaslom kb 85% Az univerzumban minden anyag titokzatos és láthatatlan. Ez a két tulajdonság tükröződik a nevében: sötét anyag.

Számos kísérlet Céljuk az összetevőik feltárása, de a több évtizedes kutatás ellenére a tudósok nem jártak sikerrel. Most Új tapasztalatunképítés alatt ben Yale Egyetem Az Egyesült Államokban új taktikát kínál.

A sötét anyag az idők kezdete óta jelen van az univerzumban. Húzd össze a csillagokat és a galaxisokat. Láthatatlan és finom, úgy tűnik, hogy nem lép kölcsönhatásba a fénnyel vagy bármely más típusú anyaggal. Valójában valami teljesen újnak kellene lennie.

A részecskefizika standard modellje nem teljes, és ez probléma. Keresnünk kell az újat Alapvető részecskék. Meglepő módon a standard modell ugyanazon hibái értékes tippeket adnak arra vonatkozóan, hogy hol rejtőzhetnek.

A probléma a neutronnal

Vegyük például a neutront. A protonnal együtt alkotja az atommagot. Bár általában semleges, az elmélet azt állítja, hogy három töltött részecskéből, úgynevezett kvarkokból áll. Emiatt azt várjuk, hogy a neutron egyes részei pozitív töltésűek, mások pedig negatívan töltsenek – ami azt jelenti, hogy a fizikusok elektromos dipólusmomentumnak nevezik.

Mostanáig, Sok próbálkozás Mérése ugyanarra a következtetésre vezetett: túl kicsi ahhoz, hogy felfedezzék. Egy másik szellem. Nem az eszközök hiányosságairól beszélünk, hanem egy olyan tényezőről, amelynek kisebbnek kell lennie, mint egy rész a tízmilliárdhoz. Olyan kicsi, hogy az emberek azon töprengenek, lehet-e teljesen nulla.

De a fizikában a matematikai nulla mindig erős állítás. Az 1970-es évek végén Roberto Picci és Helen Coyne részecskefizikusok (később Frank Wilczek és Steven Weinberg) megpróbálták felfedezni Az elmélet és a bizonyítékok megértése.

Azt javasolták, hogy a paraméter valószínűleg nem nulla. Inkább egy dinamikus mennyiség, amely lassan veszít töltéséből, majd nullára fejlődik a nagy robbanás. Az elméleti számítások azt mutatják, hogy ha ilyen esemény történt, akkor nagyszámú illuzórikus fényrészecskét hagyott maga után.

Ezeket a tisztítószerek márkája után „axionoknak” nevezik, mert képesek „megoldani” a neutronproblémát. És még több. Ha az axionok az univerzum kezdetén keletkeztek, azóta is léteznek. A legfontosabb, hogy tulajdonságai meghatározzák a sötét anyag összes elvárt elemét. Ezen okok miatt a központok az egyikévé váltak Preferált jelölt részecskék Sötét anyaghoz.

Az axionok csak gyengén lépnek kölcsönhatásba más részecskékkel. Ez azonban azt jelenti, hogy továbbra is elég sokat fognak kölcsönhatásba lépni. A láthatatlan tengelyek közönséges részecskévé alakulhatnak át, beleértve – ironikus módon – fotonokat, a fény esszenciáját. Ez bizonyos körülmények között megtörténhet, például mágneses tér jelenlétében. Ez egy isteni ajándék a kísérleti fizikusok számára.

Kísérleti terv

Sok kísérlet Megpróbálják megidézni Axion szellemét egy ellenőrzött laboratóriumi környezetben. Némelyikük célja például a fény tengelyté alakítása, majd a tengely fénnyé alakítása a fal másik oldalán.

Jelenleg a legérzékenyebb megközelítés a galaxist (és így a Földet) átható sötét anyag glóriát célozza meg egy korona nevű eszközzel. Ez egy vezetőképes üreg, amely erős mágneses térbe merül. Az előbbi felveszi a minket körülvevő sötét anyagot (feltételezve, hogy axonokról van szó), míg az utóbbi arra készteti, hogy fénnyé változzon. Az eredmény egy elektromágneses jel, amely az üreg belsejében jelenik meg, és az axió tömegétől függően jellegzetes frekvencián rezeg.

A rendszer úgy működik, mint egy rádióvevő. Megfelelően be kell állítani, hogy elfogja a kívánt frekvenciát. A gyakorlatban az üreg méreteit úgy változtatják meg, hogy a különböző jellemző frekvenciákhoz alkalmazkodjanak. Ha az axió- és üregfrekvenciák nem egyeznek, az olyan, mintha rossz csatornára hangolná a rádiót.

Az erős mágnest a Yale Egyetem laboratóriumába szállítják. Hitel: Yale Egyetem

Sajnos a keresett csatornát nem lehet előre megjósolni. Nincs más dolgunk, mint az összes lehetséges frekvenciát pásztázni. Ez olyan, mintha egy rádióállomást választanánk ki a fehér zaj tengerében – tűt a szénakazalban – egy régi rádióval, amelyet minden alkalommal nagyobbra vagy kicsinyíteni kell, amikor elforgatjuk a frekvenciagombot.

Azonban nem ezek az egyetlen kihívások. A kozmológia arra utal Több tíz gigahertz Az axiók keresésének legújabb ígéretes határaként. Mivel a magasabb frekvenciák kisebb üregeket igényelnek, ennek a régiónak a feltárásához olyan üregekre lenne szükség, amelyek túl kicsik ahhoz, hogy jelentős mennyiségű jelet rögzítsenek.

Új kísérletek próbálnak alternatív utakat találni. a miénk Longitudinális plazmaszkópos kísérlet (Alfa). A kavitáció új koncepcióját használja, amely a metaanyagok.

A metaanyagok olyan univerzális tulajdonságokkal rendelkező kompozit anyagok, amelyek eltérnek alkatrészeiktől – több, mint alkatrészeik összege. A vezetőrudakkal feltöltött üreg olyan jellemző frekvenciával rendelkezik, mintha milliószor kisebb lenne, mérete pedig alig változik. Pontosan erre van szükségünk. Ezenkívül a rudak beépített, könnyen állítható beállítási rendszert kínálnak.

Jelenleg építjük a beállítást, amely néhány éven belül készen áll az adatok fogadására. A technológia ígéretes. Kifejlesztése szilárdtestfizikusok, villamosmérnökök, részecskefizikusok, sőt matematikusok együttműködésének eredménye volt.

Bár távolról érkeznek, az axionok olyan fejlődést táplálnak, amelyet egyetlen kísértet sem lesz képes kiküszöbölni.

Írta: Andrea Gallo Russo, a Stockholmi Egyetem fizikából posztdoktori ösztöndíjasa.

Egy eredetileg ben megjelent cikkből készült Beszélgetés.