A láthatatlan sötét anyag átalakítása látható fénnyé | EatchbQ

SciTechDaily

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

A sötét anyag kutatása új kísérleti technikákkal halad előre, amelyeket a cselekvések észlelésére terveztek, a fejlett technológiát és az interdiszciplináris együttműködést felhasználva feltárják a kozmosz ezen megfoghatatlan alkotóelemének titkait.

Egy szellem kísérti az univerzumunkat. Ez évtizedek óta ismert a csillagászatban és a kozmológiában. Észrevételek javasolja kb 85% az univerzum összes anyaga titokzatos és láthatatlan. Ez a két tulajdonság tükröződik a nevében: sötét anyag.

Még több kísérlet Céljuk volt, hogy felfedjék, miből áll, de a több évtizedes kutatás ellenére a tudósok nem jártak sikerrel. Most új kísérletünképítés alatt at Yale Egyetem az Egyesült Államokban új taktikát kínál.

A sötét anyag az idők kezdete óta létezik a világegyetemben, húzza össze a csillagokat és a galaxisokat. Láthatatlan és finom, úgy tűnik, hogy nem lép kölcsönhatásba a fénnyel vagy az anyag bármely más formájával. Valójában valami teljesen újnak kell lennie.

A részecskefizika standard modellje nem teljes, és ez probléma. Valami újat kell keresnünk alapvető részecskék. Meglepő módon ugyanazok a hibák a standard modellben értékes tippeket adnak arra vonatkozóan, hogy hol rejtőzhetnek.

A probléma a neutronnal

Vegyük például a neutront. Ez alkotja az atommagot a protonnal együtt. Annak ellenére, hogy általában semleges, az elmélet szerint három töltött részecskéből, úgynevezett kvarkokból áll. Emiatt azt várnánk, hogy a neutron egyes részei pozitív, mások negatív töltésűek legyenek – ez azt jelentené, hogy a fizikusok elektromos dipólusmomentumnak nevezik.

Még, sok próbálkozás mérése ugyanarra az eredményre jutott: túl kicsi ahhoz, hogy észlelni lehessen. Egy másik szellem. És nem műszeres hiányosságokról beszélünk, hanem egy olyan paraméterről, amelynek kevesebbnek kell lennie, mint egy rész a tízmilliárdhoz. Annyira kicsi, hogy az emberek azon töprengenek, lehet-e egyáltalán nulla.

A fizikában azonban a matematikai nulla mindig erős állítás. A 70-es évek végén Roberto Peccei és Helen Quinn részecskefizikusok (később Frank Wilczek és Steven Weinberg) megpróbálták befogadni az elméletet és a bizonyítékokat.

Azt javasolták, hogy a paraméter nem lehet nulla. Inkább egy dinamikus mennyiségről van szó, amely lassan elvesztette töltését, és nullára fejlődött Nagy durranás. Az elméleti számítások azt mutatják, hogy ha ilyen esemény történt, akkor könnyű, lopakodó részecskék tömegét kellett maga után hagynia.

Ezeket „axionoknak” nevezték el egy detergens márka után, mert képesek voltak „megtisztítani” a neutronproblémát. És még több. Ha a cselekvések a korai univerzumban jöttek létre, akkor azok azóta is ott vannak. A legfontosabb, hogy tulajdonságaik bejelölik az összes sötét anyagra várt négyzetet. Ezen okok miatt a részvények is ezek közé tartoztak preferált jelölt részecskék sötét anyagra.

A cselekvések csak gyengén lépnek kölcsönhatásba más részecskékkel. Ez azonban azt jelenti, hogy továbbra is kölcsönhatásba lépnek egy kicsit. A láthatatlan cselekvések akár közönséges részecskévé is átalakulhatnak, beleértve – ironikus módon – fotonokat, magának a fénynek az esszenciáját. Ez különleges körülmények között történhet, pl. mágneses tér jelenlétében. Ez egy ajándék kísérleti fizikusoknak.

Kísérleti terv

Sok kísérlet megpróbálja megidézni az axion szellemet egy laboratórium ellenőrzött környezetében. Egyesek célja, hogy a fényt pl. akciók, majd a fal másik oldalán ismét napvilágra kerülő cselekvések.

Jelenleg a legérzékenyebb megközelítés a galaxist (és így a Földet) átható sötét anyag halójára irányul egy haloszkóp nevű eszközzel. Ez egy vezető üreg, amely erős mágneses térbe merül; az előbbi megragadja a minket körülvevő sötét anyagot (feltéve, hogy az axionok), míg az utóbbi a fénnyel való átalakulást indukálja. Az eredmény az üreg belsejében megjelenő elektromágneses jel, amely a hatástömegtől függően jellegzetes frekvencián rezeg.

A rendszer vevő rádióként működik. Megfelelően kell beállítani, hogy felvegye a minket érdeklő frekvenciát. Gyakorlatilag az üreg méreteit úgy változtatják meg, hogy a különböző jellemző frekvenciákhoz alkalmazkodjanak. Ha az axion és az üreg frekvenciája nem egyezik, az olyan, mintha rossz csatornára hangolnánk a rádiót.

Erőteljes szupravezető mágnes költözött a Yale-en

Az erős mágnest a Yale-i laboratóriumba szállítják. Kredit: Yale Egyetem

Sajnos a keresett csatornát nem lehet előre megjósolni. Nincs más dolgunk, mint az összes lehetséges frekvencia letapogatása. Ez olyan, mintha egy rádióállomást választanánk ki a fehér zaj tengerében – tűt a szénakazalban – egy régi rádióval, amelynek minden alkalommal nagyobbnak vagy kisebbnek kell lennie, amikor elforgatjuk a frekvenciagombot.

Azonban nem ezek az egyetlen kihívások. A kozmológia rámutat több tíz gigahertz mint az axion keresés legújabb, ígéretes határterülete. Mivel a magasabb frekvenciák kisebb üregeket igényelnek, ennek a tartománynak a feltárásához túl kicsi üregekre lenne szükség ahhoz, hogy jelentős mennyiségű jelet rögzítsenek.

Új kísérletek próbálnak alternatív utakat találni. A miénk Axion longitudinális plazmahaloszkóp (alfa) kísérlet alapján az üreg új fogalmát alkalmazza metaanyagok.

A metaanyagok olyan összetett anyagok, amelyek globális tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek különböznek alkotóelemeiktől – ezek többek, mint részeik összege. A vezetőrudakkal teli üreg olyan karakterisztikus frekvenciát kap, mintha milliószor kisebb lenne, miközben alig változtatja a térfogatot. Pontosan erre van szükségünk. Ráadásul a rudak beépített, könnyen állítható tuningrendszert biztosítanak.

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

Annak ellenére, hogy annyira megfoghatatlanok, az akciók olyan előrelépést tesznek lehetővé, amelyet semmiféle szellem nem fog elvinni.

Írta: Andrea Gallo Rosso, fizika posztdoktori, Stockholmi Egyetem.

Egy eredetileg ben megjelent cikkből készült A beszélgetés.A beszélgetés

Leave a Reply

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