Transformarea materiei întunecate invizibile în lumină vizibilă

Explorările în materia întunecată avansează folosind noi tehnici experimentale concepute pentru a detecta axele și utilizând tehnologia avansată și colaborarea interdisciplinară pentru a descoperi secretele acestei componente evazive a universului.

O fantomă bântuie lumea noastră. Acest lucru este cunoscut în astronomie și cosmologie de zeci de ani. Note O sugerez aproximativ 85% Toată materia din univers este misterioasă și invizibilă. Aceste două calități se reflectă în numele său: materia întunecată.

Mai multe experimente Ei își propun să-și descopere ingredientele, dar în ciuda deceniilor de cercetare, oamenii de știință au rămas scurt. acum Noua noastră experiențăîn construcție în universitatea Yale În Statele Unite, oferă o nouă tactică.

Materia întunecată a fost în jurul universului de la începutul timpurilor. Împreună stelele și galaxiile. Invizibil și subtil, nu pare să interacționeze cu lumina sau cu orice alt tip de materie. De fapt, ar trebui să fie ceva complet nou.

Modelul standard al fizicii particulelor este incomplet și aceasta este o problemă. Trebuie să căutăm noul Particule fundamentale. În mod surprinzător, aceleași defecte ale modelului standard oferă indicii prețioase despre unde s-ar putea ascunde.

Problema cu neutronul

Luați neutronul, de exemplu. Formează nucleul atomic cu protonul. Deși în general neutru, teoria afirmă că este alcătuit din trei particule încărcate numite quarci. Din acest motiv, ne așteptăm ca unele părți ale neutronului să fie încărcate pozitiv, iar altele negative – adică a avut ceea ce fizicienii numesc un moment dipol electric.

Până acum, Multe încercări Măsurând-o a dus la aceeași concluzie: este prea mic pentru a fi descoperit. O altă fantomă. Nu vorbim despre deficiențe ale instrumentelor, ci mai degrabă despre un factor care trebuie să fie mai mic de o parte din zece miliarde. Este atât de mic încât oamenii se întreabă dacă ar putea fi complet zero.

Dar în fizică, zero matematic este întotdeauna o afirmație puternică. La sfârșitul anilor 1970, fizicienii particulelor Roberto Picci și Helen Coyne (și mai târziu Frank Wilczek și Steven Weinberg) au încercat să descopere Înțelegerea teoriei și a dovezilor.

Ei au sugerat că probabil parametrul nu este zero. Mai degrabă, este o mărime dinamică care își pierde încet încărcătura și apoi evoluează la zero marea explozie. Calculele teoretice arată că, dacă a avut loc un astfel de eveniment, trebuie să fi lăsat în urmă un număr mare de particule de lumină iluzorie.

Se numesc „axioni” după o marcă de detergent pentru că pot „rezolva” problema neutronilor. Și încă mai mult. Dacă axiunile au fost create la începutul universului, ele există de atunci. Cel mai important, proprietățile sale definesc toate elementele așteptate ale materiei întunecate. Din aceste motive, hub-urile au devenit unul dintre Particule candidate preferate Pentru materia întunecată.

Axionii vor interacționa cu alte particule doar slab. Cu toate acestea, aceasta înseamnă că vor interacționa în continuare destul de puțin. Axele invizibile se pot transforma în particule obișnuite, inclusiv – în mod ironic – fotoni, esența luminii. Acest lucru se poate întâmpla în anumite condiții, cum ar fi prezența unui câmp magnetic. Aceasta este o mană cerească pentru fizicienii experimentali.

Design experimental

Multe experimente Ei încearcă să evoce fantoma lui Axion într-un mediu de laborator controlat. Unele dintre ele urmăresc să transforme lumina în axă, de exemplu, și apoi să transforme axa în lumină pe cealaltă parte a peretelui.

În prezent, cea mai sensibilă abordare vizează haloul de materie întunecată care pătrunde în galaxie (și, prin urmare, în Pământ) folosind un dispozitiv numit coroană. Este o cavitate conductoare scufundată într-un câmp magnetic puternic. Primul preia materia întunecată din jurul nostru (presupunând că este vorba despre axoni), în timp ce cel de-al doilea o determină să se transforme în lumină. Rezultatul este un semnal electromagnetic care apare în interiorul cavității, oscilând la o frecvență caracteristică în funcție de masa axionului.

Sistemul funcționează ca un receptor radio. Trebuie ajustat corespunzător pentru a intercepta frecvența dobânzii. În practică, dimensiunile cavității sunt modificate pentru a se adapta la diferite frecvențe caracteristice. Dacă frecvențele axionului și ale cavității nu se potrivesc, este ca și cum ați acorda radioul pe canalul greșit.

Magnetul puternic este transportat la laboratorul de la Universitatea Yale. Credit: Universitatea Yale

Din păcate, canalul pe care îl căutăm nu poate fi prezis din timp. Nu avem de ales decât să scanăm toate frecvențele posibile. Este ca și cum ai selecta un post de radio într-o mare de zgomot alb – un ac într-un car de fân – cu un radio vechi care trebuie făcut mai mare sau mai mic de fiecare dată când rotim butonul de frecvență.

Cu toate acestea, acestea nu sunt singurele provocări. Cosmologia se referă la Zeci de gigaherți Ca cea mai recentă frontieră promițătoare a căutării axionilor. Deoarece frecvențele mai mari necesită cavități mai mici, explorarea acelei regiuni ar necesita cavități care sunt prea mici pentru a capta o cantitate semnificativă de semnal.

Noi experimente încearcă să găsească căi alternative. al nostru Experiment cu plasmoscop longitudinal (Alpha). Folosește un nou concept de cavitație bazat pe metamateriale.

Metamaterialele sunt materiale compozite cu proprietăți universale care diferă de componentele lor – sunt mai mult decât suma părților lor. O cavitate plină cu tije conductoare are o frecvență caracteristică ca și cum ar fi de un milion de ori mai mică, în timp ce dimensiunea ei abia se schimbă. Este exact ceea ce avem nevoie. În plus, barele oferă un sistem de reglare încorporat, ușor de reglat.

În prezent, construim configurația, care va fi gata să primească date în câțiva ani. Tehnologia este promițătoare. Dezvoltarea sa a fost rezultatul colaborării dintre fizicienii în stare solidă, inginerii electricieni, fizicienii particulelor și chiar matematicieni.

Deși exagerat, axions alimentează progresul pe care niciun spectru nu îl va putea elimina vreodată.

Scris de Andrea Gallo Russo, cercetător postdoctoral în fizică, Universitatea din Stockholm.

Adaptat după un articol publicat inițial în Conversaţie.