Mørkt stof:Et nyt eksperiment har til formål at gøre det spøgelsesagtige stof til faktisk lys

Et spøgelse hjemsøger vores univers. Dette har været kendt i astronomi og kosmologi i årtier. Observationer tyder på, at omkring 85 % af alt stof i universet er mystisk og usynlig. Disse to kvaliteter afspejles i dets navn:mørkt stof.

Adskillige eksperimenter har haft til formål at afsløre, hvad det er lavet af, men på trods af årtiers søgning er videnskabsmænd kommet til kort. Nu tilbyder vores nye eksperiment, som er under opbygning på Yale University i USA, en ny taktik.

Mørkt stof har eksisteret i universet siden tidernes begyndelse og har trukket stjerner og galakser sammen. Usynlig og subtil ser den ikke ud til at interagere med lys eller nogen anden form for materie. Faktisk skal det være noget helt nyt.

Standardmodellen for partikelfysik er ufuldstændig, og dette er et problem. Vi er nødt til at lede efter nye fundamentale partikler. Overraskende nok giver de samme fejl i standardmodellen værdifulde hints om, hvor de kan gemme sig.

Problemet med neutronen

Lad os tage neutronen, for eksempel. Det udgør atomkernen sammen med protonen. På trods af at den generelt er neutral, siger teorien, at den består af tre ladede partikler kaldet kvarker. På grund af dette ville vi forvente, at nogle dele af neutronen ville blive ladet positivt og andre negativt – dette ville betyde, at det havde, hvad fysikeren kalder et elektrisk dipolmoment.

Alligevel er mange forsøg på at måle det kommet med det samme resultat:det er for lille til at blive opdaget. Endnu et spøgelse. Og vi taler ikke om instrumentelle utilstrækkeligheder, men et parameter, der skal være mindre end én del af 10 mia. Det er så lille, at folk spekulerer på, om det kunne være nul helt.

I fysik er det matematiske nul dog altid et stærkt udsagn. I slutningen af ​​70'erne forsøgte partikelfysikerne Roberto Peccei og Helen Quinn (og senere Frank Wilczek og Steven Weinberg) at imødekomme teori og beviser.

De foreslog, at parameteren måske ikke er nul. Det er snarere en dynamisk størrelse, der langsomt mistede sin ladning og udviklede sig til nul efter Big Bang. Teoretiske beregninger viser, at hvis en sådan hændelse skete, må den have efterladt et væld af lette, luskede partikler.

Disse blev døbt "axions" efter et vaskemiddelmærke, fordi de kunne "rydde op" neutronproblemet. Og endnu mere. Hvis aksioner blev skabt i det tidlige univers, har de hængt rundt siden da. Vigtigst er det, at deres egenskaber kontrollerer alle de kasser, der forventes for mørkt stof. Af disse grunde er aksioner blevet en af ​​de foretrukne kandidatpartikler til mørkt stof.

Axioner ville kun interagere svagt med andre partikler. Dette betyder dog, at de stadig vil interagere lidt. De usynlige aksioner kunne endda forvandle sig til almindelige partikler, inklusive – ironisk nok – fotoner, selve lysets essens. Dette kan ske under særlige omstændigheder, f.eks. ved tilstedeværelse af et magnetfelt. Dette er en gave til eksperimentelle fysikere.

Eksperimentelt design

Mange eksperimenter forsøger at fremkalde axion-spøgelset i det kontrollerede miljø i et laboratorium. Nogle har til formål at konvertere lys til f.eks. aksioner og derefter aksioner tilbage til lys på den anden side af en væg.

På nuværende tidspunkt er den mest følsomme tilgang rettet mod haloen af ​​mørkt stof, der gennemsyrer galaksen (og dermed Jorden) med en enhed kaldet et haloskop. Det er et ledende hulrum nedsænket i et stærkt magnetfelt; førstnævnte fanger det mørke stof, der omgiver os (forudsat at det er axioner), mens sidstnævnte inducerer omdannelsen til lys. Resultatet er et elektromagnetisk signal, der optræder inde i hulrummet, som oscillerer med en karakteristisk frekvens afhængig af aksionsmassen.

Systemet fungerer som en modtagende radio. Det skal justeres korrekt for at opfange den frekvens, vi er interesseret i. Praktisk taget ændres hulrummets dimensioner for at rumme forskellige karakteristiske frekvenser. Hvis frekvenserne af aksionen og hulrummet ikke stemmer overens, er det ligesom at indstille en radio på den forkerte kanal.

Den kanal vi leder efter kan desværre ikke forudsiges på forhånd. Vi har intet andet valg end at scanne alle potentielle frekvenser. Det er som at vælge en radiostation i et hav af hvid støj – en nål i en høstak – med en gammel radio, der skal være større eller mindre, hver gang vi drejer på frekvensknappen.

Alligevel er det ikke de eneste udfordringer. Kosmologi peger på snesevis af gigahertz som den seneste, lovende grænse for axionsøgning. Da højere frekvenser kræver mindre hulrum, ville udforskning af dette område kræve hulrum for små til at fange en meningsfuld mængde signal.

Nye eksperimenter forsøger at finde alternative veje. Vores Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) eksperiment bruger et nyt koncept for hulrum baseret på metamaterialer.

Metamaterialer er kompositmaterialer med globale egenskaber, der adskiller sig fra deres bestanddele - de er mere end summen af ​​deres dele. Et hulrum fyldt med ledende stænger får en karakteristisk frekvens, som var det en million gange mindre, mens det knap ændrer volumen. Det er præcis, hvad vi har brug for. Derudover giver stængerne et indbygget, let justerbart tuningsystem.

Vi er i øjeblikket ved at bygge opsætningen, som vil være klar til at tage data om nogle år. Teknologien er lovende. Dens udvikling er resultatet af samarbejdet mellem faststoffysikere, elektroingeniører, partikelfysikere og endda matematikere.

På trods af at de er så undvigende, fremmer aksioner fremskridt, som intet spøgelse nogensinde vil fjerne.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.