Transformácia neviditeľnej tmavej hmoty na viditeľné svetlo | Zenithudn

SciTechDaily

Kopa galaxií, vľavo, s viditeľným prstencom tmavej hmoty, vpravo. Poďakovanie: NASA, ESA, MJ Jee a H. Ford (Johns Hopkins University)

Skúmanie temnej hmoty napreduje s novými experimentálnymi technikami určenými na zisťovanie akcií, využívajúc pokročilé technológie a interdisciplinárnu spoluprácu na odhalenie tajomstiev tejto nepolapiteľnej zložky vesmíru.

Náš vesmír prenasleduje duch. To je v astronómii a kozmológii známe už desaťročia. Pozorovania navrhnite to asi 85% všetka hmota vo vesmíre je tajomná a neviditeľná. Tieto dve vlastnosti sa odrážajú v jeho názve: temná hmota.

Viac experimentov mali za cieľ odhaliť, z čoho sa skladá, no napriek desaťročiam hľadania vedci prišli skrátka. Teraz náš nový experimentvo výstavbe pri Yale University v USA ponúka novú taktiku.

Temná hmota existuje vo vesmíre od počiatku vekov, pritiahnuť hviezdy a galaxie k sebe. Neviditeľný a jemný, nezdá sa, že by interagoval so svetlom alebo inou formou hmoty. V skutočnosti to musí byť niečo úplne nové.

Štandardný model časticovej fyziky je neúplný a to je problém. Musíme hľadať niečo nové základné častice. Prekvapivo, rovnaké chyby v štandardnom modeli poskytujú cenné rady o tom, kde by sa mohli skrývať.

Problém s neutrónom

Vezmime si napríklad neutrón. Spolu s protónom tvorí atómové jadro. Napriek tomu, že je vo všeobecnosti neutrálna, teória hovorí, že sa skladá z troch nabitých častíc nazývaných kvarky. Z tohto dôvodu by sme očakávali, že niektoré časti neutrónu budú pozitívne nabité a iné negatívne – to by znamenalo, že mal to, čo fyzici nazývajú elektrický dipólový moment.

Ešte, veľa pokusov jej meranie dospelo k rovnakému výsledku: je príliš malé na to, aby sa dalo zistiť. Ďalší duch. A to nehovoríme o inštrumentálnych nedostatkoch, ale o parametri, ktorý musí byť menší ako jedna časť z desiatich miliárd. Je taká malá, že sa ľudia pýtajú, či by mohla byť úplne nulová.

Vo fyzike je však matematická nula vždy silným tvrdením. Koncom 70. rokov sa časticoví fyzici Roberto Peccei a Helen Quinn (a neskôr Frank Wilczek a Steven Weinberg) pokúsili prispôsobiť teóriu a dôkazy.

Navrhli, že parameter nemusí byť nula. Je to skôr dynamická veličina, ktorá pomaly strácala svoj náboj a potom sa vyvinula na nulu Veľký tresk. Teoretické výpočty ukazujú, že ak k takejto udalosti došlo, musela za sebou zanechať množstvo ľahkých, nenápadných častíc.

Tieto boli nazvané „axions“ podľa značky čistiaceho prostriedku, pretože mohli „vyčistiť“ problém s neutrónmi. A ešte viac. Ak boli akcie vytvorené v ranom vesmíre, odvtedy sa motajú. Najdôležitejšie je, že ich vlastnosti kontrolujú všetky políčka očakávané pre temnú hmotu. Z týchto dôvodov sa akcie stali jedným z nich výhodné kandidátne častice pre temnú hmotu.

Akcie by s inými časticami interagovali len slabo. To však znamená, že budú stále trochu interagovať. Neviditeľné akcie by sa dokonca mohli premeniť na bežné častice, vrátane – ironicky – fotónov, podstaty samotného svetla. To sa môže stať za zvláštnych okolností, napr. v prítomnosti magnetického poľa. Toto je dar pre experimentálnych fyzikov.

Experimentálny dizajn

Veľa experimentov snažiac sa vyvolať axionského ducha v kontrolovanom prostredí laboratória. Niektoré majú za cieľ premeniť svetlo na napr. akcie a potom akcie späť na svetlo na druhej strane steny.

V súčasnosti je najcitlivejší prístup zameraný na halo tmavej hmoty, ktorá preniká galaxiou (a tým aj Zemou) pomocou zariadenia nazývaného haloskop. Je to vodivá dutina ponorená do silného magnetického poľa; prvý zachytáva temnú hmotu, ktorá nás obklopuje (za predpokladu, že ide o axióny), zatiaľ čo druhý vyvoláva premenu na svetlo. Výsledkom je elektromagnetický signál, ktorý sa objaví vo vnútri dutiny, ktorý osciluje s charakteristickou frekvenciou v závislosti od akčnej hmoty.

Systém funguje ako prijímacie rádio. Musí byť správne nastavený, aby zachytil frekvenciu, o ktorú máme záujem. Prakticky sa rozmery dutiny menia, aby sa prispôsobili rôznym charakteristickým frekvenciám. Ak sa frekvencie axiónu a dutiny nezhodujú, je to ako naladiť rádio na nesprávny kanál.

Na Yale sa pohyboval výkonný supravodivý magnet

Silný magnet sa presunie do laboratória na Yale. Poďakovanie: Univerzita Yale

Žiaľ, kanál, ktorý hľadáme, nemožno vopred predpovedať. Nezostáva nám nič iné, len oskenovať všetky potenciálne frekvencie. Je to ako vybrať si rozhlasovú stanicu v mori bieleho šumu – ihlu v kope sena – so starým rádiom, ktoré musí byť väčšie alebo menšie zakaždým, keď otočíme gombíkom frekvencie.

To však nie sú jediné výzvy. Kozmológia poukazuje na desiatky gigahertzov ako najnovšiu, sľubnú hranicu hľadania axionov. Pretože vyššie frekvencie vyžadujú menšie dutiny, skúmanie tohto rozsahu by vyžadovalo príliš malé dutiny na zachytenie zmysluplného množstva signálu.

Nové experimenty sa snažia nájsť alternatívne cesty. náš Experiment Axion Longitudinal Plazma Haloscope (Alpha). využíva nový koncept dutiny na základe metamateriály.

Metamateriály sú kompozitné materiály s globálnymi vlastnosťami, ktoré sa líšia od svojich zložiek – sú viac než len súčtom ich častí. Dutina vyplnená vodivými tyčami nadobúda charakteristickú frekvenciu, ako keby bola miliónkrát menšia, pričom svoj objem takmer nemení. Presne toto potrebujeme. Navyše, prúty poskytujú vstavaný, ľahko nastaviteľný ladiaci systém.

V súčasnosti budujeme nastavenie, ktoré bude pripravené na zber údajov o niekoľko rokov. Technológia je sľubná. Jeho vývoj je výsledkom spolupráce fyzikov pevných látok, elektrotechnikov, časticových fyzikov a dokonca aj matematikov.

Napriek tomu, že sú také nepolapiteľné, akcie podporujú pokrok, ktorý vám žiadny duch nikdy nezoberie.

Napísal Andrea Gallo Rosso, postdoktorand vo fyzike, Štokholmská univerzita.

Upravené z článku pôvodne publikovaného v Konverzácia.Konverzácia

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *