Μετατροπή της αόρατης σκοτεινής ύλης σε ορατό φως

Οι εξερευνήσεις στη σκοτεινή ύλη προχωρούν χρησιμοποιώντας νέες πειραματικές τεχνικές που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση αξόνων και αξιοποιώντας την προηγμένη τεχνολογία και τη διεπιστημονική συνεργασία για να αποκαλύψουν τα μυστικά αυτού του άπιαστου συστατικού του σύμπαντος.

Ένα φάντασμα στοιχειώνει τον κόσμο μας. Αυτό είναι γνωστό στην αστρονομία και την κοσμολογία εδώ και δεκαετίες. Σημειώσεις το προτείνω περίπου 85% Όλη η ύλη στο σύμπαν είναι μυστηριώδης και αόρατη. Αυτές οι δύο ιδιότητες αντικατοπτρίζονται στο όνομά του: σκοτεινή ύλη.

Αρκετά πειράματα Στόχος τους είναι να αποκαλύψουν τα συστατικά τους, αλλά παρά τις δεκαετίες έρευνας, οι επιστήμονες δεν έχουν καταφέρει. τώρα Η νέα μας εμπειρίαυπό κατασκευή σε Πανεπιστήμιο Γέιλ Στις Ηνωμένες Πολιτείες προσφέρει μια νέα τακτική.

Η σκοτεινή ύλη ήταν γύρω από το σύμπαν από την αρχή του χρόνου. Τραβήξτε μαζί αστέρια και γαλαξίες. Αόρατο και λεπτό, δεν φαίνεται να αλληλεπιδρά με το φως ή οποιοδήποτε άλλο είδος ύλης. Στην πραγματικότητα, θα έπρεπε να είναι κάτι εντελώς νέο.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων είναι ημιτελές, και αυτό είναι ένα πρόβλημα. Πρέπει να ψάξουμε για το νέο Θεμελιώδη σωματίδια. Παραδόξως, τα ίδια ελαττώματα του τυπικού μοντέλου δίνουν πολύτιμες υποδείξεις για το πού μπορεί να κρύβονται.

Το πρόβλημα με το νετρόνιο

Πάρτε για παράδειγμα το νετρόνιο. Σχηματίζει τον ατομικό πυρήνα με το πρωτόνιο. Αν και γενικά ουδέτερο, η θεωρία λέει ότι αποτελείται από τρία φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Για αυτόν τον λόγο, αναμένουμε ορισμένα μέρη του νετρονίου να είναι θετικά φορτισμένα και άλλα αρνητικά – που σημαίνει ότι είχε αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν ηλεκτρική διπολική ροπή.

Μέχρι τώρα, Πολλές προσπάθειες Η μέτρησή του οδήγησε στο ίδιο συμπέρασμα: είναι πολύ μικρό για να ανακαλυφθεί. Άλλο ένα φάντασμα. Δεν μιλάμε για ελλείψεις στα μέσα, αλλά μάλλον για έναν παράγοντα που πρέπει να είναι μικρότερος από ένα μέρος στα δέκα δισεκατομμύρια. Είναι τόσο μικρό που οι άνθρωποι αναρωτιούνται αν θα μπορούσε να είναι εντελώς μηδενικό.

Αλλά στη φυσική, το μαθηματικό μηδέν είναι πάντα μια ισχυρή δήλωση. Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, οι σωματιδιακοί φυσικοί Roberto Picci και Helen Coyne (και αργότερα οι Frank Wilczek και Steven Weinberg) προσπάθησαν να ανακαλύψουν Κατανόηση θεωρίας και αποδείξεων.

Πρότειναν ότι η παράμετρος μάλλον δεν είναι μηδέν. Μάλλον, είναι ένα δυναμικό μέγεθος που χάνει αργά το φορτίο του και μετά εξελίσσεται στο μηδέν η μεγάλη έκρηξη. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι αν συνέβαινε ένα τέτοιο γεγονός, θα πρέπει να άφησε πίσω του μεγάλο αριθμό απατηλών σωματιδίων φωτός.

Ονομάζονται «άξιον» από μια μάρκα απορρυπαντικού γιατί μπορούν να «λύσουν» το πρόβλημα των νετρονίων. Και ακόμη περισσότερο. Αν τα άξιον δημιουργήθηκαν στην αρχή του σύμπαντος, υπάρχουν από τότε. Το πιο σημαντικό, οι ιδιότητές του καθορίζουν όλα τα αναμενόμενα στοιχεία της σκοτεινής ύλης. Για αυτούς τους λόγους, οι κόμβοι έχουν γίνει ένας από τους Προτιμώμενα υποψήφια σωματίδια Για τη σκοτεινή ύλη.

Τα αξιόνια θα αλληλεπιδράσουν με άλλα σωματίδια μόνο ασθενώς. Ωστόσο, αυτό σημαίνει ότι θα αλληλεπιδράσουν ακόμα αρκετά. Οι αόρατοι άξονες μπορούν να μετατραπούν σε συνηθισμένα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων – ειρωνικά – των φωτονίων, της ουσίας του φωτός. Αυτό μπορεί να συμβεί υπό ορισμένες συνθήκες, όπως η παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτό είναι θεϊκό δώρο για τους πειραματιστές φυσικούς.

Πειραματικό σχέδιο

Πολλά πειράματα Προσπαθούν να δημιουργήσουν το φάντασμα του Axion σε ένα ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον. Ορισμένα από αυτά στοχεύουν να μετατρέψουν το φως σε άξονα, για παράδειγμα, και στη συνέχεια να μετατρέψουν τον άξονα σε φως στην άλλη πλευρά του τοίχου.

Προς το παρόν, η πιο ευαίσθητη προσέγγιση στοχεύει το φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης που διαπερνά τον γαλαξία (και επομένως τη Γη) χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται στέμμα. Είναι μια αγώγιμη κοιλότητα βυθισμένη σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Η πρώτη συλλαμβάνει τη σκοτεινή ύλη που μας περιβάλλει (υποθέτοντας ότι είναι άξονες), ενώ η δεύτερη την προτρέπει να μετατραπεί σε φως. Το αποτέλεσμα είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα που εμφανίζεται μέσα στην κοιλότητα, ταλαντούμενο με χαρακτηριστική συχνότητα ανάλογα με τη μάζα του άξονα.

Το σύστημα λειτουργεί σαν ραδιοφωνικός δέκτης. Πρέπει να ρυθμιστεί σωστά για να υποκλέψει τη συχνότητα ενδιαφέροντος. Στην πράξη, οι διαστάσεις της κοιλότητας αλλάζουν για να προσαρμόζονται διαφορετικές χαρακτηριστικές συχνότητες. Εάν οι συχνότητες άξονα και κοιλότητας δεν ταιριάζουν, είναι σαν να συντονίζετε το ραδιόφωνο σε λάθος κανάλι.

Ο ισχυρός μαγνήτης μεταφέρεται στο εργαστήριο του Πανεπιστημίου Γέιλ. Πίστωση: Πανεπιστήμιο Yale

Δυστυχώς, το κανάλι που αναζητούμε δεν μπορεί να προβλεφθεί εκ των προτέρων. Δεν έχουμε άλλη επιλογή από το να σαρώσουμε όλες τις πιθανές συχνότητες. Είναι σαν να επιλέγετε έναν ραδιοφωνικό σταθμό σε μια θάλασσα λευκού θορύβου – μια βελόνα σε μια θημωνιά – με ένα παλιό ραδιόφωνο που πρέπει να γίνεται μεγαλύτερο ή μικρότερο κάθε φορά που γυρνάμε το κουμπί συχνότητας.

Ωστόσο, αυτές δεν είναι οι μόνες προκλήσεις. Η κοσμολογία αναφέρεται σε Δεκάδες gigahertz Ως το τελευταίο πολλά υποσχόμενο σύνορο στην αναζήτηση αξιών. Δεδομένου ότι οι υψηλότερες συχνότητες απαιτούν μικρότερες κοιλότητες, η εξερεύνηση αυτής της περιοχής θα απαιτούσε κοιλότητες που είναι πολύ μικρές για να συλλάβουν μια σημαντική ποσότητα σήματος.

Νέα πειράματα προσπαθούν να βρουν εναλλακτικούς δρόμους. μας Πείραμα διαμήκους πλασμασκοπίου (Alpha). Χρησιμοποιεί μια νέα έννοια της σπηλαίωσης που βασίζεται σε μεταϋλικά.

Τα μεταϋλικά είναι σύνθετα υλικά με καθολικές ιδιότητες που διαφέρουν από τα συστατικά τους – είναι περισσότερα από το άθροισμα των μερών τους. Μια κοιλότητα γεμάτη με αγώγιμες ράβδους αποκτά μια ευδιάκριτη συχνότητα σαν να ήταν ένα εκατομμύριο φορές μικρότερη, ενώ το μέγεθός της μετά βίας αλλάζει. Αυτό ακριβώς χρειαζόμαστε. Επιπλέον, οι ράβδοι προσφέρουν ένα ενσωματωμένο, εύκολο στη ρύθμιση σύστημα ρύθμισης.

Αυτήν τη στιγμή χτίζουμε τη ρύθμιση, η οποία θα είναι έτοιμη να λάβει δεδομένα σε λίγα χρόνια. Η τεχνολογία είναι πολλά υποσχόμενη. Η ανάπτυξή του ήταν το αποτέλεσμα της συνεργασίας μεταξύ φυσικών στερεάς κατάστασης, ηλεκτρολόγων μηχανικών, φυσικών σωματιδίων, ακόμη και μαθηματικών.

Αν και τραβηγμένα, τα άξιον τροφοδοτούν την πρόοδο που κανένα φάντασμα δεν θα μπορέσει ποτέ να εξαλείψει.

Γράφει ο Andrea Gallo Russo, Μεταδιδακτορικός Συνεργάτης Φυσικής, Πανεπιστήμιο Στοκχόλμης.

Προσαρμογή από άρθρο που δημοσιεύτηκε αρχικά στο Συνομιλία.