_ Materia întunecată : Un nou experiment își propune să transforme substanța fantomatică în lumină reală

O fantomă bântuie universul nostru. Acest lucru este cunoscut în astronomie și cosmologie de zeci de ani. Observațiile sugerează că aproximativ 85% din toată materia din univers este misterioasă și invizibilă. Aceste două calități se reflectă în numele său: materia întunecată.

Mai multe experimente și-au propus să dezvăluie din ce este alcătuită, dar, în ciuda deceniilor de căutări, oamenii de știință au rămas scurt. Acum, noul nostru experiment, în construcție la Universitatea Yale din SUA, oferă o nouă tactică.

Materia întunecată a fost în jurul universului de la începutul timpurilor, adunând stelele și galaxiile împreună. Invizibil și subtil, nu pare să interacționeze cu lumina sau cu orice alt fel de materie. De fapt, trebuie să fie ceva complet nou.

Modelul standard al fizicii particulelor este incomplet și aceasta este o problemă. Trebuie să căutăm noi particule fundamentale. În mod surprinzător, aceleași defecte ale modelului standard oferă indicii prețioase despre unde se pot ascunde.

Să luăm neutronul, de exemplu. El formează nucleul atomic împreună cu protonul. În ciuda faptului că este neutru în general, teoria afirmă că este alcătuită din trei particule constitutive încărcate numite quarci. Din această cauză, ne-am aștepta ca unele părți ale neutronului să fie încărcate pozitiv, iar altele negative - asta ar însemna că avea ceea ce fizicienii numesc un moment dipol electric.

Cu toate acestea, au venit multe încercări de a-l măsura. cu același rezultat: este prea mic pentru a fi detectat. O altă fantomă. Și nu vorbim de insuficiențe instrumentale, ci de un parametru care trebuie să fie mai mic de o parte din 10 miliarde. Este atât de mic încât oamenii se întreabă dacă ar putea fi cu totul zero.

În fizică, totuși, zeroul matematic este întotdeauna o afirmație puternică. La sfârșitul anilor '70, fizicienii de particule Roberto Peccei și Helen Quinn (și mai târziu, Frank Wilczek și Steven Weinberg) au încercat să se adapteze la teorie și dovezi.

Au sugerat că, poate, parametrul nu este zero. Mai degrabă este o mărime dinamică care și-a pierdut încet încărcătura, evoluând la zero, după Big Bang. Calculele teoretice arată că, dacă s-ar fi întâmplat un astfel de eveniment, trebuie să fi lăsat în urmă o multitudine de particule uşoare, ascunse.

Acestea au fost denumite „axioni” după o marcă de detergent pentru că puteau „elimina” neutronul. problemă. Și încă mai mult. Dacă axiunile au fost create în universul timpuriu, ele au rămas de atunci. Cel mai important, proprietățile lor bifează toate casetele așteptate pentru materia întunecată. Din aceste motive, axionii au devenit una dintre particulele candidate preferate pentru materia întunecată.

Axionii ar interacționa doar slab cu alte particule. Cu toate acestea, asta înseamnă că vor interacționa încă puțin. Axionii invizibili s-ar putea transforma chiar în particule obișnuite, inclusiv – în mod ironic – fotoni, însăși esența luminii. Acest lucru se poate întâmpla în circumstanțe particulare, cum ar fi prezența unui câmp magnetic. Aceasta este o mană divină pentru fizicienii experimentali.

Multe experimente încearcă să evoce fantoma-axion în mediul controlat al unui laborator. Unii își propun să transforme lumina în axioni, de exemplu, iar apoi axioanele înapoi în lumină de cealaltă parte a unui perete.

În prezent, cea mai sensibilă abordare vizează haloul de materie întunecată care pătrunde în galaxie (și în consecință, Pământul) cu un dispozitiv numit haloscop. Este o cavitate conductoare scufundată într-un câmp magnetic puternic; primul captează materia întunecată care ne înconjoară (presupunând că este vorba de axioni), în timp ce cel de-al doilea induce conversia în lumină. Rezultatul este un semnal electromagnetic care apare în interiorul cavității, oscilând cu o frecvență caracteristică în funcție de masa axionului.

Sistemul funcționează ca un radio receptor. Trebuie ajustat corespunzător pentru a intercepta frecvența care ne interesează. Practic, dimensiunile cavității sunt modificate pentru a se adapta la diferite frecvențe caracteristice. Dacă frecvențele axionului și ale cavității nu se potrivesc, este exact ca și cum ați acorda un radio pe canalul greșit.

Din păcate, canalul pe care îl căutăm nu poate fi prezis din timp. Nu avem de ales decât să scanăm toate frecvențele potențiale. Este ca și cum ai alege un post de radio într-o mare de zgomot alb — un ac într-un car de fân — cu un radio vechi care trebuie să fie mai mare sau mai mic de fiecare dată când rotim butonul de frecvență.

Totuși, acestea sunt nu singurele provocări. Cosmologia indică zeci de gigaherți drept cea mai recentă graniță promițătoare pentru căutarea axionilor. Deoarece frecvențele mai mari necesită cavități mai mici, explorarea acelei regiuni ar necesita cavități prea mici pentru a capta o cantitate semnificativă de semnal.

Noi experimente încearcă să găsească căi alternative. Experimentul nostru cu haloscop cu plasmă longitudinală Axion (Alfa) folosește un nou concept de cavitate bazat pe metamateriale.

Metamaterialele sunt materiale compozite cu proprietăți globale care diferă de constituenții lor - sunt mai mult decât suma părților lor. O cavitate plină cu tije conductoare capătă o frecvență caracteristică ca și cum ar fi de un milion de ori mai mică, în timp ce abia își schimbă volumul. Exact de asta avem nevoie. În plus, tijele oferă un sistem de reglare încorporat, ușor de reglat.

În prezent, construim configurația, care va fi gata să preia date în câțiva ani. Tehnologia este promițătoare. Dezvoltarea sa este rezultatul colaborării dintre fizicienii în stare solidă, inginerii electricieni, fizicienii particulelor și chiar matematicieni.

În ciuda faptului că sunt atât de evazive, axioanele alimentează progresul pe care nicio fantomă nu îl va elimina vreodată.

Acest articol este republicat din The Conversation sub o licență Creative Commons. Citiți articolul original.

(Fluierul)