Kæmpe atomer kunne hjælpe med at afsløre mørkt stof og andre kosmiske hemmeligheder

Universet er et forbløffende hemmeligt sted. Mystiske stoffer kendt som mørkt stof og mørk energi tegner sig for omkring 95% af det. På trods af en stor indsats for at finde ud af, hvad de er, ved vi simpelthen ikke.

Vi ved, at mørkt stof eksisterer på grund af tyngdekraften i galaksehobe - det stof, vi kan se i en klynge, er bare ikke nok til at holde det sammen af ​​tyngdekraften. Så der må være noget ekstra materiale der, består af ukendte partikler, der simpelthen ikke er synlige for os. Flere kandidatpartikler er allerede blevet foreslået.

Forskere forsøger at finde ud af, hvad disse ukendte partikler er ved at se på, hvordan de påvirker det almindelige stof, vi ser omkring os. Men indtil videre har det vist sig svært, så vi ved, at det i bedste fald kun interagerer svagt med normalt stof. Nu er min kollega Benjamin Varcoe og jeg kommet på en ny måde at undersøge mørkt stof, der bare kan vise sig at være vellykket:ved at bruge atomer, der er strakt til at være 4, 000 gange større end normalt.

Fordelagtige atomer

Vi er kommet langt fra grækernes vision om atomer som de udelelige komponenter i alt stof. Det første bevisbaserede argument for eksistensen af ​​atomer blev fremlagt i begyndelsen af ​​1800-tallet af John Dalton. Men det var først i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, at JJ Thomson og Ernest Rutherford opdagede, at atomer består af elektroner og en kerne. Kort efter, Erwin Schrödinger beskrev atomet matematisk ved hjælp af det, der i dag kaldes kvanteteori.

Moderne eksperimenter har været i stand til at fange og manipulere individuelle atomer med enestående præcision. Denne viden er blevet brugt til at skabe nye teknologier, som lasere og atomure, og fremtidige computere kan bruge enkelte atomer som deres primære komponenter.

Individuelle atomer er svære at studere og kontrollere, fordi de er meget følsomme over for eksterne forstyrrelser. Denne følsomhed er normalt en ulempe, men vores undersøgelse tyder på, at det gør nogle atomer ideelle som sonder til påvisning af partikler, der ikke interagerer stærkt med almindeligt stof - såsom mørkt stof.

Vores model er baseret på det faktum, at svagt interagerende partikler skal hoppe fra atomkernen, det kolliderer med og udveksle en lille mængde energi med det - svarende til kollisionen mellem to poolkugler. Energiudvekslingen vil producere en pludselig forskydning af kernen, der til sidst vil kunne mærkes af elektronen. Det betyder, at hele atomets energi ændres, som kan analyseres for at opnå information om egenskaberne ved den kolliderende partikel.

Men mængden af ​​overført energi er meget lille, så en særlig slags atom er nødvendig for at gøre interaktionen relevant. Vi fandt ud af, at det såkaldte "Rydberg-atom" ville gøre tricket. Disse er atomer med lange afstande mellem elektronen og kernen, hvilket betyder, at de besidder høj potentiel energi. Potentiel energi er en form for lagret energi. For eksempel, en kugle på en høj hylde har potentiel energi, fordi den kan konverteres til kinetisk energi, hvis den falder ned fra hylden.

I laboratoriet, det er muligt at fange atomer og forberede dem i en Rydberg -tilstand - hvilket gør dem så store som 4, 000 gange deres oprindelige størrelse. Dette gøres ved at belyse atomerne med en laser med lys ved en helt bestemt frekvens.

Dette forberedte atom er sandsynligvis meget tungere end partiklerne i det mørke stof. Så frem for at en poolbold rammer en anden, en mere passende beskrivelse vil være en marmor, der rammer en bowlingbold. Det virker mærkeligt, at store atomer er mere forstyrrede af kollisioner end små – man kan forvente det modsatte (mindre ting påvirkes normalt mere, når der sker en kollision).

Forklaringen er relateret til to træk ved Rydberg -atomer:de er meget ustabile på grund af deres forhøjede energi, så mindre forstyrrelser ville forstyrre dem mere. Også, på grund af deres store område, sandsynligheden for, at atomerne interagerer med partikler, er øget, så de vil lide flere kollisioner.

Spotting af de mindste partikler

Aktuelle forsøg leder typisk efter partikler af mørkt stof ved at forsøge at opdage deres spredning fra atomkerner eller elektroner på Jorden. De gør dette ved at lede efter lette eller frie elektroner i store tanke med flydende ædelgasser, der genereres ved energioverførsel mellem den mørke stofpartikel og væskens atomer.

Men, ifølge kvantemekanikkens love, der skal være en vis minimumsenergioverførsel for at lyset kan produceres. En analogi ville være en partikel, der kolliderer med en guitarstreng:den vil producere en note, som vi kan høre, men hvis partiklen er for lille, vil strengen slet ikke vibrere.

Så problemet med disse metoder er, at partiklen i det mørke stof skal være stor nok, hvis vi skal opdage det på denne måde. Imidlertid, vores beregninger viser, at Rydberg-atomerne vil blive forstyrret på en væsentlig måde, selv af partikler med lav masse-hvilket betyder, at de kan anvendes til at søge efter kandidater til mørkt stof, som andre eksperimenter savner. En af sådanne partikler er Axion, en hypotetisk partikel, som er en stærk kandidat til mørkt stof.

Eksperimenter ville kræve, at atomerne blev behandlet med ekstrem omhu, men de vil ikke kræve at blive udført i en dyb underjordisk facilitet som andre forsøg, da Rydberg -atomer forventes at være mindre modtagelige for kosmiske stråler sammenlignet med mørkt stof.

Vi arbejder på at forbedre systemets følsomhed yderligere, sigter på at udvide det partikelområde, det kan være i stand til at opfatte.

Ud over mørkt stof har vi også til formål at en dag anvende det til påvisning af gravitationsbølger, krusninger i rummets struktur forudsagt af Einstein for længe siden. Disse forstyrrelser i rum-tidskontinuum er for nylig blevet opdaget, men vi tror, ​​at vi ved hjælp af atomer muligvis kan detektere gravitationsbølger med en anden frekvens end dem, der allerede er observeret.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.