Prieskumy temnej hmoty napredujú pomocou nových experimentálnych techník určených na detekciu osí a využívajú pokročilé technológie a interdisciplinárnu spoluprácu na odhalenie tajomstiev tejto nepolapiteľnej zložky vesmíru.

Náš svet straší duch. To je v astronómii a kozmológii známe už desaťročia. Poznámky navrhujem to asi 85% Všetka hmota vo vesmíre je tajomná a neviditeľná. Tieto dve vlastnosti sa odrážajú v jeho názve: temná hmota.

Niekoľko experimentov Ich cieľom je odhaliť ich ingrediencie, no napriek desaťročiam výskumu vedci prišli skrátka. teraz Naša nová skúsenosťvo výstavbe v Univerzita Yale V Spojených štátoch ponúka novú taktiku.

Temná hmota je vo vesmíre od počiatku vekov. Spojte hviezdy a galaxie. Neviditeľný a jemný, nezdá sa, že by interagoval so svetlom alebo akýmkoľvek iným typom hmoty. V skutočnosti by malo ísť o niečo úplne nové.

Štandardný model časticovej fyziky je neúplný a to je problém. Musíme hľadať nové Základné častice. Prekvapivo, rovnaké nedostatky štandardného modelu dávajú cenné rady o tom, kde by sa mohli skrývať.

Problém s neutrónom

Vezmite si napríklad neutrón. S protónom tvorí atómové jadro. Hoci je vo všeobecnosti neutrálna, teória tvrdí, že sa skladá z troch nabitých častíc nazývaných kvarky. Z tohto dôvodu očakávame, že niektoré časti neutrónu budú nabité kladne a iné záporne – čo znamená, že mali to, čo fyzici nazývajú elektrický dipólový moment.

Do teraz, Veľa pokusov Jeho meranie viedlo k rovnakému záveru: je príliš malý na to, aby sa dal objaviť. Ďalší duch. Nehovoríme o nedostatkoch v nástrojoch, ale skôr o faktore, ktorý musí byť menší ako jedna časť z desiatich miliárd. Je taký malý, že sa ľudia pýtajú, či by mohol byť úplne nulový.

Ale vo fyzike je matematická nula vždy silné tvrdenie. Koncom sedemdesiatych rokov sa časticoví fyzici Roberto Picci a Helen Coyne (a neskôr Frank Wilczek a Steven Weinberg) pokúsili objaviť Pochopenie teórie a dôkazov.

Naznačili, že parameter pravdepodobne nie je nula. Ide skôr o dynamickú veličinu, ktorá pomaly stráca náboj a potom sa vyvinie na nulu veľký výbuch. Teoretické výpočty ukazujú, že ak k takejto udalosti došlo, muselo za sebou zanechať veľké množstvo iluzórnych svetelných častíc.

Nazývajú sa „axions“ podľa značky čistiaceho prostriedku, pretože dokážu „vyriešiť“ problém s neutrónmi. A ešte viac. Ak boli axióny vytvorené na začiatku vesmíru, odvtedy existujú. Najdôležitejšie je, že jeho vlastnosti definujú všetky očakávané prvky temnej hmoty. Z týchto dôvodov sa náboje stali jedným z Výhodné kandidátne častice Pre temnú hmotu.

Axióny budú interagovať s inými časticami len slabo. To však znamená, že budú stále dosť interagovať. Neviditeľné osi sa môžu premeniť na obyčajné častice, vrátane – ironicky – fotónov, podstaty svetla. To sa môže stať za určitých podmienok, ako je prítomnosť magnetického poľa. Toto je dar z nebies pre experimentálnych fyzikov.

Experimentálny dizajn

Veľa experimentov Pokúšajú sa vykúzliť ducha Axion v kontrolovanom laboratórnom prostredí. Niektoré z nich majú za cieľ napríklad premeniť svetlo na os a potom os premeniť na svetlo na druhej strane steny.

V súčasnosti sa najcitlivejší prístup zameriava na halo temnej hmoty, ktoré preniká galaxiou (a tým aj Zemou) pomocou zariadenia nazývaného koróna. Je to vodivá dutina ponorená do silného magnetického poľa. Prvý zachytáva temnú hmotu, ktorá nás obklopuje (za predpokladu, že ide o axóny), zatiaľ čo ten druhý ju vyzýva, aby sa zmenila na svetlo. Výsledkom je elektromagnetický signál, ktorý sa objaví vo vnútri dutiny a osciluje na charakteristickej frekvencii v závislosti od hmotnosti axiónu.

Systém funguje ako rádiový prijímač. Musí byť správne nastavený, aby zachytil frekvenciu záujmu. V praxi sa rozmery dutiny menia, aby sa prispôsobili rôznym charakteristickým frekvenciám. Ak sa frekvencia osy a dutiny nezhodujú, je to ako naladenie rádia na nesprávny kanál.

Silný magnet je transportovaný do laboratória na Yale University. Poďakovanie: Univerzita Yale

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

To však nie sú jediné výzvy. Kozmológia odkazuje na Desiatky gigahertzov Ako najnovšia sľubná hranica hľadania axionov. Pretože vyššie frekvencie vyžadujú menšie dutiny, skúmanie tejto oblasti by si vyžadovalo dutiny, ktoré sú príliš malé na zachytenie zmysluplného množstva signálu.

Nové experimenty sa snažia nájsť alternatívne cesty. náš Experiment s pozdĺžnym plazmoskopom (Alpha). Využíva nový koncept kavitácie na základe metamateriály.

Metamateriály sú kompozitné materiály s univerzálnymi vlastnosťami, ktoré sa líšia od svojich komponentov – sú viac ako súčet ich častí. Dutina vyplnená vodivými tyčami dostane zreteľnú frekvenciu, ako keby bola miliónkrát menšia, pričom jej veľkosť sa takmer nezmení. Presne toto potrebujeme. Okrem toho tyče ponúkajú vstavaný, ľahko nastaviteľný systém nastavenia.

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

Hoci sú pritiahnuté za vlasy, axiony podporujú pokrok, ktorý žiadne strašidlo nikdy nedokáže odstrániť.

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

Upravené z článku pôvodne uverejneného v Konverzácia.