Dette australske eksperiment er på jagt efter en undvigende partikel, der kan hjælpe med at låse op for mysteriet med mørkt stof

Australske videnskabsmænd gør fremskridt mod at løse et af universets største mysterier:naturen af ​​usynligt "mørkt stof".

ORGAN Experiment, Australiens første store mørkestofdetektor, afsluttede for nylig en søgning efter en hypotetisk partikel kaldet en axion – en populær kandidat blandt teorier, der forsøger at forklare mørkt stof.

ORGAN har sat nye grænser for de mulige egenskaber ved axioner og har dermed været med til at indsnævre søgningen efter dem. Men før vi går foran os selv …

Lad os starte med en historie

For omkring 14 milliarder år siden blev alle de små stykker stof – de fundamentale partikler, der senere skulle blive til dig, planeten og galaksen – komprimeret til et meget tæt, varmt område.

Så skete Big Bang, og alt fløj fra hinanden. Partiklerne forenede sig til atomer, som til sidst klumpede sig sammen til stjerner, som eksploderede og skabte alle former for eksotisk stof.

Efter et par milliarder år kom Jorden, som til sidst kravlede med små ting kaldet mennesker. Fed historie, ikke? Det viser sig, at det ikke er hele historien; det er ikke engang det halve.

Mennesker, planeter, stjerner og galakser er alle lavet af "regulært stof". Men vi ved, at almindeligt stof kun udgør en sjettedel af alt stof i universet.

Resten er lavet af det vi kalder "mørkt stof". Dens navn fortæller dig næsten alt, hvad vi ved om den. Det udsender ikke lys (så vi kalder det "mørkt") og det har masse (så vi kalder det "stof").

Hvis det er usynligt, hvordan ved vi, at det er der?

Når vi observerer, hvordan tingene bevæger sig i rummet, opdager vi gang på gang, at vi ikke kan forklare vores observationer, hvis vi kun overvejer det, vi kan se.

Spindende galakser er et godt eksempel. De fleste galakser spinner med hastigheder, der ikke kan forklares med tyngdekraften fra synligt stof alene.

Så der skal være mørkt stof i disse galakser, hvilket giver ekstra tyngdekraft og giver dem mulighed for at spinde hurtigere – uden at dele bliver slynget ud i rummet. Vi tror, ​​at mørkt stof bogstaveligt talt holder galakser sammen.

Så der må være en enorm mængde mørkt stof i universet, der trækker på alle de ting, vi kan se. Det passerer også igennem dig, som en slags kosmisk spøgelse. Du kan bare ikke mærke det.

Hvordan kunne vi opdage det?

Mange forskere mener, at mørkt stof kan være sammensat af hypotetiske partikler kaldet axioner. Axioner blev oprindeligt foreslået som en del af en løsning på et andet stort problem i partikelfysikken kaldet "det stærke CP-problem" (som vi kunne skrive en hel artikel om).

Under alle omstændigheder, efter at aksionen blev foreslået, indså forskerne, at partiklen også kunne udgøre mørkt stof under visse forhold. Det er fordi aksioner forventes at have meget svage vekselvirkninger med regulært stof, men stadig have en vis masse:de to betingelser, der er nødvendige for mørkt stof.

Så hvordan går du om at søge efter axioner?

Da mørkt stof menes at være overalt omkring os, kan vi bygge detektorer lige her på Jorden. Og heldigvis forudsiger teorien, der forudsiger aksioner, også, at aksioner kan omdannes til fotoner (lyspartikler) under de rigtige forhold.

Det er gode nyheder, for vi er gode til at opdage fotoner. Og det er præcis, hvad ORGAN gør. Den konstruerer de korrekte betingelser for aksion-foton-konvertering og leder efter svage fotonsignaler - små lysglimt genereret af mørkt stof, der passerer gennem detektoren.

Denne form for eksperiment kaldes et axion-haloskop og blev først foreslået i 1980'erne. Der er et par stykker i verden i dag, hver en smule anderledes på vigtige måder.

Skinne et lys på mørkt stof

En axion menes at konvertere til en foton i nærvær af et stærkt magnetfelt. I et typisk haloskop genererer vi dette magnetiske felt ved hjælp af en stor elektromagnet kaldet en "superledende solenoide."

Inde i magnetfeltet placerer vi et eller flere hule kamre af metal, som er beregnet til at fange fotonerne og få dem til at hoppe rundt indeni, hvilket gør dem nemmere at opdage.

Der er dog et hikke. Alt, der har en temperatur, udsender konstant små tilfældige lysglimt (hvilket er grunden til, at termiske kameraer fungerer). Disse tilfældige emissioner, eller "støj", gør det sværere at opdage de svage mørke stof-signaler, vi leder efter.

For at omgå dette har vi placeret vores resonator i et "fortyndingskøleskab". Dette smarte køleskab afkøler eksperimentet til kryogene temperaturer, omkring -273°C, hvilket i høj grad reducerer støjen.

Jo koldere eksperimentet er, jo bedre kan vi "lytte" efter svage fotoner produceret under omdannelse af mørkt stof.

Målretning mod masseregioner

En aksion af en vis masse vil konvertere til en foton med en bestemt frekvens eller farve. Men da massen af ​​aksioner er ukendt, skal eksperimenter målrette deres søgning mod forskellige regioner med fokus på dem, hvor mørkt stof anses for at eksistere mere sandsynligt.

Hvis der ikke findes noget mørkt stof-signal, er eksperimentet enten ikke følsomt nok til at høre signalet over støjen, eller også er der intet mørkt stof i det tilsvarende aksionsmasseområde.

Når dette sker, sætter vi en "udelukkelsesgrænse" - hvilket bare er en måde at sige "vi fandt ikke noget mørkt stof i dette masseområde, til dette niveau af følsomhed." Dette fortæller resten af ​​forskersamfundet om mørkt stof at lede deres søgninger andre steder hen.

ORGAN er det mest følsomme eksperiment i sit målrettede frekvensområde. Dens seneste kørsel opdagede ingen signaler om mørkt stof. Dette resultat har sat en vigtig udelukkelsesgrænse for aksioners mulige karakteristika.

Dette er den første fase af en flerårig plan for at søge efter aksioner. Vi er i øjeblikket ved at forberede det næste eksperiment, som vil være mere følsomt og målrette mod et nyt, endnu uudforsket masseområde.

Men hvorfor betyder mørkt stof noget?

For det første ved vi fra historien, at når vi investerer i grundlæggende fysik, ender vi med at udvikle vigtige teknologier. For eksempel er al moderne computer afhængig af vores forståelse af kvantemekanik.

Vi ville aldrig have opdaget elektricitet eller radiobølger, hvis vi ikke forfulgte ting, der på det tidspunkt så ud til at være mærkelige fysiske fænomener ud over vores forståelse. Mørkt stof er det samme.

Overvej alt, hvad mennesker har opnået ved kun at forstå en sjettedel af stoffet i universet – og forestil dig, hvad vi kunne gøre, hvis vi låste op for resten. + Udforsk yderligere

Søgning efter mørkt stof med et haloskop

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