Cæsiumdamp hjælper med at søge efter mørkt stof

Jagten på mørkt stof er en af ​​de mest spændende udfordringer, som den grundlæggende fysik står over for i det 21. århundrede. Forskere har længe vidst, at det skal eksistere, som mange astrofysiske observationer ellers ville være umulige at forklare. For eksempel, stjerner roterer meget hurtigere i galakser, end de ville, hvis der kun eksisterede 'normalt' stof.

I alt, sagen kan vi kun se regnskaber for, højest, 20 procent af det samlede stof i universet - hvilket betyder, at bemærkelsesværdige 80 procent er mørkt stof. "Der er en elefant i rummet, men vi kan bare ikke se det, "sagde professor Dmitry Budker, en forsker ved PRISMA+ Cluster of Excellence ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM), forklarer det problem, han og mange af hans kolleger verden over kæmper med.

Mørkt stof kan bestå af ekstremt lette partikler

Men indtil videre ved ingen, hvad mørkt stof er lavet af. Forskere på området overvejer og forsker i en hel række mulige partikler, der teoretisk set kan kvalificere sig som kandidater. Blandt disse er ekstremt lette bosoniske partikler, betragtes i øjeblikket som en af ​​de mest lovende udsigter. "Disse kan også betragtes som et klassisk felt, der oscillerer ved en bestemt frekvens. Men vi kan endnu ikke sætte et tal på dette - og derfor massen af ​​partiklerne, "forklarede Budker." Vores grundlæggende antagelse er, at dette felt af mørkt stof er koblet til synligt stof og har en ekstremt subtil indflydelse på visse atomegenskaber, der normalt ville være konstante. "

Budker og hans team i Mainz har nu udviklet en ny metode, som de beskriver i det aktuelle nummer af det førende specialjournal Fysisk gennemgangsbreve . Det anvender atomspektroskopi og involverer brug af cæsiumatordamp. Kun ved eksponering for laserlys med en meget specifik bølgelængde bliver disse atomer spændte. Formodningen er, at små ændringer i den tilsvarende observerede bølgelængde ville indikere kobling af cæsiumdampen til et partikelfelt i mørkt stof.

"I princippet, vores arbejde er baseret på en bestemt teoretisk model, de hypoteser, som vi eksperimentelt tester, "tilføjede papirets hovedforfatter, Dr. Dionysis Antypas. "I dette tilfælde, konceptet, der ligger til grund for vores arbejde, er afspændingsmodellen udviklet af vores kolleger og medforfattere på Weizmann Institute i Israel. "Ifølge afslapningsteorien, der skal være et område i nærheden af ​​store masser som Jorden, hvor tætheden af ​​mørkt stof er større, gør koblingseffekter lettere at observere og detektere.

Der har tidligere været søgt efter utilgængeligt frekvensområde

Med deres nye teknik, forskerne har nu adgang til et hidtil uudforsket frekvensområde, hvor, som postuleret i afslapningsteori, virkningerne af visse former for mørkt stof på cæsiumets atomare egenskaber bør være relativt lette at få øje på. Resultaterne giver også forskerne mulighed for at formulere nye restriktioner for, hvad arten af ​​mørkt stof sandsynligvis vil være. Dmitry Budker ligner denne omhyggelige søgning med jagten på en tiger i en ørken. "I det frekvensområde, vi har undersøgt i vores nuværende arbejde, vi har stadig ikke fundet mørkt stof. Men i det mindste, nu hvor vi har søgt i dette område, vi ved, at vi ikke skal gøre det igen. "Forskerne ved stadig ikke, hvor mørkt stof - tigeren i hans metafor - lurer, men de ved nu, hvor det ikke er. "Vi bliver ved med at målrette tættere på den del af ørkenen, hvor tigeren sandsynligvis er. Og, på et tidspunkt, vi fanger ham, "fastholdt Budker med tillid.