Ny jagt på mørkt stof:Fysikere teoretiserer en ny måde at udforske mørkt stofs natur med lasere

Mørkt stof er kun kendt af dets virkning på massive astronomiske legemer, men er endnu ikke direkte observeret eller endda identificeret. En teori om, hvad mørkt stof kan være, tyder på, at det kunne være en partikel kaldet en axion, og at disse kunne påvises med laserbaserede eksperimenter, der allerede eksisterer. Disse lasereksperimenter er gravitationsbølgeobservatorier.

Jagten er i gang efter mørkt stof. Der er mange teorier om, hvilken slags ting det kan vise sig at være, men mange fysikere mener, at mørkt stof er en svagt interagerende massiv partikel, eller WIMP. Hvad dette betyder er, at det ikke nemt interagerer med almindeligt stof. Vi ved, at dette er sandt, fordi det ikke er blevet set direkte endnu. Men den skal også have i det mindste en vis masse, da dens tilstedeværelse kan udledes af dens gravitationstiltrækning.

Der har været en enorm indsats for at opdage WIMP mørkt stof, inklusive med Large Hadron Collider i Schweiz, men WIMP'er er ikke blevet observeret endnu. En alternativ kandidatpartikel, der får opmærksomhed, er axionen.

"Vi antager, at aksionen er meget let og næsten ikke interagerer med vores velkendte slags stof. Derfor, det betragtes som en god kandidat til mørkt stof, " sagde adjunkt Yuta Michimura fra Institut for Fysik ved University of Tokyo. "Vi kender ikke massen af ​​aksioner, men vi tror normalt, at den har en masse mindre end elektronernes. Vores univers er fyldt med mørkt stof, og det anslås, at der er 500 gram mørkt stof i Jorden, om massen af ​​et egern."

Axions virker som en god kandidat til mørkt stof, men da de kun kan interagere meget svagt med almindeligt stof, de er ekstraordinært svære at opdage. Så fysikere udtænker stadigt mere indviklede måder at kompensere for denne mangel på interaktion i håbet om at afsløre den afslørende signatur af mørkt stof, som udgør over en fjerdedel af det synlige univers.

"Vores modeller foreslår, at axion mørkt stof modulerer lyspolarisering, som er orienteringen af ​​oscillationen af ​​elektromagnetiske bølger, " forklarede Koji Nagano, en kandidatstuderende ved Institute for Cosmic Ray Research ved University of Tokyo. "Denne polarisationsmodulation kan forbedres, hvis lyset reflekteres frem og tilbage mange gange i et optisk hulrum, der er sammensat af to parallelle spejle adskilt fra hinanden. De bedst kendte eksempler på denne slags hulrum er gravitationsbølgens lange tunnelarme observatorier."

Mørkt stofforskning får ikke så meget opmærksomhed eller finansiering som andre mere anvendelige områder af videnskabelig forskning, så der gøres en stor indsats for at finde måder at gøre jagten omkostningseffektiv. Dette er relevant, da andre teoretiske måder at observere aksioner på involverer ekstremt stærke magnetiske felter, som medfører store omkostninger. Her, forskere foreslår, at eksisterende gravitationsbølgeobservatorier såsom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA, Jomfruen i Italien eller KAGRA i Japan kunne modificeres billigt til at jage efter akser uden at skade deres eksisterende funktioner.

"Med vores nye ordning, vi kunne søge efter aksioner ved at tilføje noget polarisationsoptik foran fotodiodesensorer i gravitationsbølgedetektorer, " beskrev Michimura. "Det næste skridt, jeg gerne vil se, er implementeringen af ​​optik til en gravitationsbølgedetektor som KAGRA."

Denne idé lover, fordi opgraderingerne af gravitationsbølgefaciliteterne ikke vil reducere den følsomhed, de er afhængige af for deres primære funktion, som skal detektere fjerne gravitationsbølger. Der er gjort forsøg med forsøg og observationer for at finde aksionen, men indtil videre er der ikke fundet noget positivt signal. Forskernes foreslåede metode ville være langt mere præcis.

"Der er overvældende astrofysiske og kosmologiske beviser for, at mørkt stof eksisterer, men spørgsmålet "Hvad er mørkt stof?" er et af de største udestående problemer i moderne fysik, " sagde Nagano. "Hvis vi kan opdage aksioner og med sikkerhed sige, at de er mørkt stof, det ville være en virkelig spændende begivenhed. Det er det, fysikere som os drømmer om."