Το κυνήγι της σκοτεινής ύλης πρόκειται να γίνει ακόμα πιο συναρπαστικό. Οι επιστήμονες αναπτύσσουν υπερψυχρή κβαντική τεχνολογία για να αναζητήσουν τα πιο μυστηριώδη και άπιαστα υλικά του σύμπαντος, ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της επιστήμης.
Αν και η σκοτεινή ύλη στο σύμπαν μας είναι περίπου έξι φορές μεγαλύτερη από την κανονική ύλη, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν τι είναι. Αυτό οφείλεται τουλάχιστον εν μέρει στο ότι κανένα πείραμα σχεδιασμένο από τον άνθρωπο δεν έχει ακόμη καταφέρει να τα εντοπίσει.
Για να λύσουν αυτό το μυστήριο, επιστήμονες από πολλά πανεπιστήμια σε όλο το Ηνωμένο Βασίλειο συγκεντρώθηκαν ως ομάδα για να κατασκευάσουν δύο από τους πιο ευαίσθητους ανιχνευτές σκοτεινής ύλης που αναπτύχθηκαν ποτέ. Κάθε πείραμα θα αναζητήσει ένα διαφορετικό υποθετικό σωματίδιο που θα μπορούσε να περιέχει σκοτεινή ύλη. Αν και μοιράζονται μερικές από τις ίδιες ιδιότητες, τα σωματίδια έχουν επίσης ριζικά διαφορετικές ιδιότητες, που απαιτούν διαφορετικές τεχνικές ανίχνευσης.
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται και στα δύο πειράματα είναι τόσο ευαίσθητος που τα εξαρτήματα πρέπει να ψύχονται στο ένα χιλιοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, τη θεωρητική και ανέφικτη θερμοκρασία στην οποία θα έπαυε κάθε ατομική κίνηση. Αυτή η ψύξη πρέπει να γίνει για να αποτραπεί η παραμόρφωση των μετρήσεων από παρεμβολές ή «θόρυβο» από τον έξω κόσμο.
Σχετίζεται με: Τα «αθάνατα αστέρια» θα μπορούσαν να γλεντήσουν με τη σκοτεινή ύλη στην καρδιά του Γαλαξία
«Χρησιμοποιούμε κβαντικές τεχνολογίες σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες για να κατασκευάσουμε τους πιο ευαίσθητους ανιχνευτές μέχρι τώρα», δήλωσε το μέλος της ομάδας Samuli Autti του Πανεπιστημίου του Λάνκαστερ σε μια δήλωση. «Ο στόχος είναι να παρατηρήσουμε αυτό το μυστηριώδες θέμα απευθείας στο εργαστήριο και να λύσουμε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην επιστήμη».
Πόσο η σκοτεινή ύλη αποτυγχάνει στην επιστήμη
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί σημαντικό πρόβλημα για τους επιστήμονες, επειδή, αν και αποτελεί περίπου το 80 έως 85 τοις εκατό του σύμπαντος, παραμένει ουσιαστικά αόρατη σε εμάς. Αυτό συμβαίνει επειδή η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με το φως ή την «καθημερινή» ύλη – και όταν συμβαίνει, αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι σπάνιες ή πολύ αδύναμες. Ή ίσως και τα δύο. Απλώς δεν ξέρουμε.
Ωστόσο, λόγω αυτών των ιδιοτήτων, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να αποτελείται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια – όλα αποτελούν μέρος της οικογένειας βαρυονίων σωματιδίων που αποτελούν την καθημερινή ύλη σε πράγματα όπως αστέρια, πλανήτες, φεγγάρια, το σώμα μας, παγωτό και η γάτα του γείτονά σου. Όλα τα «κανονικά» πράγματα που μπορούμε να δούμε.
Ο μόνος λόγος που πιστεύουμε ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη είναι επειδή αυτή η μυστηριώδης ουσία έχει μάζα. Επομένως, αλληλεπιδρά με τη βαρύτητα. Μέσω αυτής της αλληλεπίδρασης, η σκοτεινή ύλη μπορεί να επηρεάσει τη δυναμική της συνηθισμένης ύλης και του φωτός, επιτρέποντας την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την παρουσία της.
Η αστρονόμος Vera Rubin ανακάλυψε την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, που προηγουμένως είχε θεωρήσει ο επιστήμονας Fritz Zwicky, επειδή παρατήρησε μερικούς γαλαξίες να περιστρέφονται τόσο γρήγορα που αν η μόνη βαρυτική τους επιρροή προερχόταν από ορατή, βαρυονική ύλη, θα πετούσαν χώρια. Ωστόσο, αυτό που πραγματικά θέλουν οι επιστήμονες δεν είναι ένα συμπέρασμα, αλλά μάλλον μια θετική ανακάλυψη των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.
Ένα από τα υποθετικά σωματίδια που θεωρούνται επί του παρόντος ο κύριος ύποπτος για τη σκοτεινή ύλη είναι το πολύ ελαφρύ «άξιον». Οι επιστήμονες υποπτεύονται επίσης ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από πιο ογκώδη (ακόμη άγνωστα) νέα σωματίδια των οποίων οι αλληλεπιδράσεις είναι τόσο αδύναμες που δεν τα έχουμε ακόμη παρατηρήσει.
Τόσο τα άξονα όσο και αυτά τα άγνωστα σωματίδια θα παρουσίαζαν εξαιρετικά αδύναμες αλληλεπιδράσεις με την ύλη που θεωρητικά θα μπορούσαν να ανιχνευθούν με επαρκώς ευαίσθητο εξοπλισμό. Αλλά δύο κύριοι ύποπτοι σημαίνει δύο έρευνες και δύο πειράματα. Αυτό είναι απαραίτητο επειδή οι τρέχουσες αναζητήσεις για σκοτεινή ύλη συνήθως εστιάζουν σε μάζες σωματιδίων μεταξύ 5 και 1.000 φορές τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου. Αυτό σημαίνει ότι εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης είναι ελαφρύτερα, θα μπορούσαν να χαθούν.
Το πείραμα Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) έχει σχεδιαστεί για την ανίχνευση της συνηθισμένης ύλης που συγκρούεται με σωματίδια σκοτεινής ύλης με τη μορφή ασθενώς αλληλεπιδρώντων, άγνωστων νέων σωματιδίων, με μάζες που κυμαίνονται από 1% έως πολλά άτομα υδρογόνου. Το QUEST-DMC χρησιμοποιεί υπερρευστό ήλιο-3, ένα ελαφρύ και σταθερό ισότοπο ηλίου με πυρήνα δύο πρωτονίων και ενός νετρονίου, που ψύχεται σε μακροσκοπική κβαντική κατάσταση για να επιτύχει ευαισθησία που σπάει ρεκόρ στην ανίχνευση εξαιρετικά αδύναμων αλληλεπιδράσεων.
Ωστόσο, το QUEST-DMC δεν θα ήταν σε θέση να ανιχνεύσει εξαιρετικά ελαφριά αξιόνια, των οποίων η μάζα είναι θεωρητικά δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από αυτή ενός ατόμου υδρογόνου. Αυτό σημαίνει επίσης ότι τέτοια άξιον δεν θα μπορούσαν να ανιχνευθούν μέσω της αλληλεπίδρασής τους με τα συνηθισμένα σωματίδια ύλης.
Ωστόσο, ό,τι τους λείπει σε μάζα, τα αξιόνια μάλλον αναπληρώνουν σε αριθμό. Αυτά τα υποθετικά σωματίδια είναι πιθανώς εξαιρετικά κοινά. Αυτό σημαίνει ότι είναι καλύτερο να αναζητήσετε αυτά τα ύποπτα σωματίδια σκοτεινής ύλης χρησιμοποιώντας μια διαφορετική υπογραφή: το μικροσκοπικό ηλεκτρικό σήμα που δημιουργείται από τη διάσπαση των αξόνων σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Εάν υπάρχει ένα τέτοιο σήμα, για να το ανιχνεύσει κάποιος θα πρέπει να ανεβάσει τους ανιχνευτές στο μέγιστο επίπεδο ευαισθησίας που επιτρέπουν οι κανόνες της κβαντικής φυσικής. Η ομάδα ελπίζει ότι οι κβαντικοί αισθητήρες της θα είναι χρήσιμοι για τον κρυφό τομέα Ο κβαντικός ενισχυτής (QSHS) θα μπορούσε να κάνει ακριβώς αυτό.
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
— Η σκοτεινή ύλη ανακαλύφθηκε να κρέμεται στον κοσμικό ιστό για πρώτη φορά
— Το εξωτικό «δαχτυλίδι του Αϊνστάιν» υποδηλώνει ότι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τον εαυτό της
— Οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες που έχουν απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσαν να είναι οι κύριοι ύποπτοι για τη σκοτεινή ύλη
Εάν βρίσκεστε στο Ηνωμένο Βασίλειο, το κοινό μπορεί να δει τόσο τα πειράματα QSHS όσο και τα πειράματα QUEST-DMC στη Θερινή Επιστημονική Έκθεση του Πανεπιστημίου του Λάνκαστερ. Οι επισκέπτες μπορούν επίσης να δουν πώς οι επιστήμονες εντοπίζουν την παρουσία της σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες χρησιμοποιώντας ένα γυροσκόπιο σε ένα κουτί που κινείται παράξενα λόγω της αόρατης γωνιακής ορμής.
Επιπλέον, η έκθεση χρησιμοποιεί ένα φωτιζόμενο ψυγείο αραίωσης για να δείξει τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για την κβαντική τεχνολογία. Ένα μοντέλο ανιχνευτή σύγκρουσης σωματιδίων σκοτεινής ύλης δείχνει πώς θα συμπεριφερόταν το σύμπαν μας εάν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρούσε με την ύλη και το φως με τον ίδιο τρόπο που κάνει η καθημερινή ύλη.
Τα άρθρα της ομάδας που περιγράφουν λεπτομερώς τα πειράματα QSHS και QUEST-DMC δημοσιεύτηκαν στο The European Physical Journal C και στον ιστότοπο αποθετηρίου χαρτιού arXiv.