Ser på mørkt stof

Opdagelsens tidsalder er ikke forbi.

Enkelt gang, europæere med skørbug sejlede ud i det ukendte for at gøre krav på fremmede, fantastiske dele af verden. Nu, fysikere sidder i laboratorier og spørger, "Er det alt, der er?"

Ingen, de lider ikke af en kollektiv eksistentiel krise.

De leder efter mørkt stof - de ting, der teoretisk udgør en fjerdedel af vores univers.

Og vestaustralske forskere er på forkant med denne søgning, som en del af et australsk-dækkende projekt for at opdage en partikel kaldet axion.

Hvad er den (mørke) sag?

Hvis mørkt stof eksisterer, du sidder sikkert i en suppe af det lige nu.

Forskere forudser, at det udgør 26,8% af universet, hvilket er ret vigtigt, når man tænker på, at alt andet, vi kan observere - fra brintatomer til sorte huller - kun udgør 5%. (De øvrige 69 % er noget, forskerne kalder mørk energi. Bare rolig.)

Der er kun et problem. Det interagerer ikke med elektromagnetisme - kraften mellem positivt og negativt ladede partikler. Det er ansvarligt for praktisk talt alt, hvad vi kan observere i det daglige liv - med undtagelse af tyngdekraften.

Elektromagnetiske kræfter til stede mellem atomer og molekyler i jorden er grunden til, at Jordens tyngdekraft ikke bliver ved med at trække os helt ned til dens (smeltede varme) kerne. Lyset, der udsendes fra din computer, giver dig mulighed for at læse denne historie, genereres af interaktioner af elektrisk ladede partikler i din skærm, ellers kendt som elektricitet.

Almindelig stof ligner almindeligt stof på grund af de elektromagnetiske kræfter mellem atomer og molekyler. Men mørkt stof interagerer ikke med elektromagnetisme. Det betyder, at vi ikke kan se, lugt, smag eller rør ved det. Så hvis mørkt stof stort set ikke kan påvises, hvorfor tror vi det eksisterer? Og hvad i alverden leder vi efter?

I mørket

Lad os starte med en grundlæggende antagelse - tyngdekraften eksisterer. Sammen med elektromagnetisme, tyngdekraften er en af ​​de fire grundlæggende kræfter, som fysikere bruger til at forklare næsten alt. Tyngdekraften siger, at tunge ting tiltrækker alle andre tunge ting, så Jordens tyngdekraft er grunden til, at vi ikke alle svæver formålsløst i rummet.

Hvis vi kigger ind i alt det rum, vi kan se, at vores Mælkevejsgalakse er spiralformet. Smack bang i det galaktiske centrum er et stort, stangformet bule, hvorfra spiralformede arme slanger sig rundt i en flad cirkel. Jorden sidder et sted i midten af ​​en af ​​disse arme og fuldender en omgang af galaksen hver 225 til 250 millioner år.

Hvis vi tænker på hele universet som en kæmpe forlystelsespark, vi kan forestille os, at vores Mælkevej er en karrusel. I modsætning til normale karruseller, der har plastik ponyer fastgjort på plads af pæle, stjernerne, måner og planeter, der udgør vores galakse, er afbrudt og kan frit dreje rundt med forskellige hastigheder.

Så hvis alt er usammenhængende og drejer rundt, hvad får os til at kredse pænt i vores lille spiral? Hvis vi fortsætter med forlystelsespark-analogien, vi kan sammenligne dette fænomen med en tur med en gyngestol. Når man svinger sig i en stol rundt om et tårn, en metalkæde giver en konstant kraft ind i midten af ​​turen, der får dig til at dreje rundt og rundt om den centrale stang.

Det samme sker i rummet, undtagen i stedet for en kæde, vi har tyngdekraften. Tyngdekraften er leveret af massen af ​​ting - specifikt, massen af ​​vores galaktiske center, som videnskabsmænd mener er et supermassivt sort hul. Den har så meget masse på så lidt plads, at den udøver en gravitationskraft så høj, at den suger lys ind.

Når du bevæger dig væk fra midten og ind i den flade galaktiske glorie, vi ser meget færre ting. Færre ting betyder mindre masse, hvilket betyder mindre tyngdekraft. Vi kunne derfor forvente, at tingene i spiralarmene snurrede langsommere end tingene tættere på midten.

Det, som astrofysikere faktisk ser, er, at ting på den ydre kant af galaksen snurrer i samme hastighed som ting nær galaksens centrum – og det er temmelig hurtigt. Hvis dette var tilfældet i vores forlystelsespark, vi ville være smuttet ind i et mareridtsscenarie.

Turen med spinningstolen ville hvirvle rundt så hurtigt, at kæden ikke længere ville give nok kraft til at holde dig i bevægelse i en cirkel. Kæden ville knække, og du ville blive slynget ihjel, der er værdig til en gyserfilm i B-grad.

Det faktum, at Jorden ikke er blevet slynget vidt omkring, tyder på, at vi er omgivet af meget mere masse, som giver en hel masse tyngdekraft og holder vores galakse i form. Og de fleste fysikere tror, ​​at massen måske bare er mørkt stof.

Mørke kandidater

Bare et øjeblik, glem alt, hvad du lige har læst. Vi vil holde op med at stirre på stjerner og i stedet undersøge meget mindre ting - partikler. Partikelfysik er hjemsted for dette problem kaldet stærk ladningsparitet (CP). Det er et meget stort uforklarligt problem i den ellers vellykkede teori om kvantekromodynamik. Du skal ikke bekymre dig om det.

Ved hjælp af matematiske ligninger, partikelfysikere i 70'erne foreslog, at vi kunne løse dette stærke CP-problem med introduktionen af ​​en teoretisk partikel kaldet axion. Og hvis vi laver mere matematik og skriver en beskrivelse af, hvordan axionpartiklen skal se ud, vi ville opdage, at det har to meget spændende kvaliteter - a) det har masse og b) det interagerer ikke særlig meget med elektromagnetisme overhovedet.

Hvilket lyder mistænkeligt som kvaliteterne af mørkt stof. Aksionen er, hvad fysikere kalder en 'lovende kandidat' for mørkt stof. Det er som at slå to fluer med en teoretisk, usynlig sten.

Og hvis aksioner er mørkt stof, vi burde være omgivet af dem lige nu. Hvis vi kun kunne bygge det rigtige udstyr, vi kunne måske opdage den mystiske masse, der holder vores galakse sammen. Som det sker, nogle kloge videnskabsmænd ved UWA gør netop det.

Mørkt stof bliver lyst

Fysikere ved en UWA-knude i ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQuS) bruger et stykke udstyr kaldet et haloskop - såkaldt fordi det søger efter aksioner i den galaktiske glorie (som du sidder i lige nu).

Et haloskop er dybest set en tom kobberdåse (et 'resonanshulrum') placeret i en meget kulde, meget stærkt magnetfelt. Hvis aksioner er mørkt stof og eksisterer overalt omkring os, man kan komme ind i resonanshulen, react with the magnetic field and transform into a particle of light—a photon.

Whilst we wouldn't be able to see these photons, scientists are pretty good at measuring them. They're able to measure how much energy it has (its frequency) as it sits inside the resonant cavity. And that frequency corresponds to the mass of the axion that it came from.

The problem is, resonant cavities (those empty copper cans) are created to detect photons with specific frequencies. We don't know how heavy axions are, so we don't know what frequency photon they will produce, which means building the right resonator involves a bit of guesswork.

The search for the axion is more of a process of elimination. What have they been able to exclude so far? Godt, mostly due to technical limitations, scientists have previously been looking for axions with a low mass. New theoretical models predict that the axion is a bit heavier. How heavy? Vi ved det ikke. But Aussie researchers have just been awarded 7 years of funding to try and find out.

Scoping the halo

The Oscillating Resonant Group AxioN (ORGAN) experiment is a nationwide collaboration between members of EQuS and is hosted at UWA.

Part of the physicists' work over the next 7 years will be to design resonant cavities that are capable of detecting heavier axions.

They ran an initial experiment over Christmas 2016, the ORGAN Pathfinder, to confirm that their haloscopes were up to the task ahead and that the physicists were capable of analysing their results.

This experiment yielded no results—but that doesn't mean that axions don't exist. It only means that they don't exist with the specific mass that they searched for in December 2016 and to a certain level of sensitivity.

The intrepid explorers at UWA will set sail into the next stages of the ORGAN experiment in 2018. And perhaps soon, we'll know exactly what the matter is.

Denne artikel dukkede først op på Particle, et videnskabsnyhedswebsted baseret på Scitech, Perth, Australia. Læs den originale artikel.