Yeni bir deney hayaletimsi maddeyi gerçek ışığa dönüştürmeyi amaçlıyor

Bir hayalet evrenimize musallat oluyor. Bu, astronomi ve kozmolojide onlarca yıldır bilinmektedir. Gözlemler şunu gösteriyor yaklaşık %85 Evrendeki tüm maddelerin tamamı gizemli ve görünmezdir. Bu iki nitelik ismine de yansıyor: karanlık madde.

Çeşitli deneyler Nelerden oluştuğunu ortaya çıkarmayı amaçladılar, ancak onlarca yıldır süren araştırmalara rağmen bilim insanları bir sonuca varamadı. Şimdi yeni denememizABD’deki Yale Üniversitesi’nde yapım aşamasında olan yeni bir taktik sunuyor.

Karanlık madde, zamanın başlangıcından beri evrenin etrafındaydı ve yıldızları ve galaksileri bir araya getiriyordu. Görünmez ve incelikli olduğundan ışıkla ya da başka herhangi bir maddeyle etkileşime girmiyor gibi görünüyor. Aslında tamamen yeni bir şey olmalı.

Parçacık fiziğinin standart modeli eksiktir ve bu bir sorundur. Yeni temel parçacıklar aramalıyız. Şaşırtıcı bir şekilde, standart modeldeki aynı kusurlar, bunların nerede saklanabileceği konusunda değerli ipuçları veriyor.

Nötronla ilgili sorun

Mesela nötronu ele alalım. Protonla birlikte atom çekirdeğini oluşturur. Genel olarak nötr olmasına rağmen teori, onun kuark adı verilen üç yüklü kurucu parçacıktan oluştuğunu belirtir. Bu nedenle, nötronun bazı kısımlarının pozitif, diğerlerinin ise negatif olarak yüklenmesini beklerdik; bu, onun fizikçilerin dediği şeye sahip olduğu anlamına gelirdi. elektrik dipol momenti.

Henüz, birçok deneme ölçmek aynı sonucu verdi: tespit edilemeyecek kadar küçük. Başka bir hayalet. Araçsal yetersizliklerden değil, 10 milyarda birden küçük olması gereken bir parametreden bahsediyoruz. O kadar küçük ki insanlar tamamen sıfır olabilir mi diye merak ediyorlar.

Ancak fizikte matematiksel sıfır her zaman güçlü bir ifadedir. 70’lerin sonlarında parçacık fizikçileri Roberto Peccei ve Helen Quinn (ve daha sonra Frank Wilczek ve Steven Weinberg) bunu yapmaya çalıştılar. teori ve kanıtları barındırmak.

Belki parametrenin sıfır olmadığını öne sürdüler. Aksine, Büyük Patlama’dan sonra yavaş yavaş yükünü kaybeden, sıfıra evrilen dinamik bir niceliktir. Teorik hesaplamalar, eğer böyle bir olay meydana geldiyse, arkasında çok sayıda hafif, sinsi parçacık bırakmış olması gerektiğini gösteriyor.

Bunlara bir deterjan markasından sonra “axion” adı verildi çünkü nötron sorununu “ortadan kaldırabiliyorlardı”. Ve daha da fazlası. Eğer eksenler erken evrende yaratıldıysa, o zamandan beri ortalıkta dolaşıyorlardı. En önemlisi, özellikleri karanlık madde için beklenen tüm koşulları karşılıyor. Bu nedenlerden dolayı eksenler karanlık madde için favori aday parçacıklardan biri haline geldi.

Axion’lar diğer parçacıklarla yalnızca zayıf bir şekilde etkileşime girer. Ancak bu, yine de biraz etkileşime girecekleri anlamına geliyor. Görünmez eksenler, ironik bir şekilde, ışığın özü olan fotonlar da dahil olmak üzere sıradan parçacıklara bile dönüşebilir. Bu, manyetik alanın varlığı gibi belirli durumlarda gerçekleşebilir. Bu deneysel fizikçiler için bir nimettir.

Deneysel tasarım

Birçok deney bir laboratuvarın kontrollü ortamında eksen hayaletini uyandırmaya çalışıyorlar. Bazıları, örneğin ışığı eksenlere dönüştürmeyi ve duvarın diğer tarafındaki eksenleri tekrar ışığa dönüştürmeyi amaçlıyor.

Şu anda en hassas yaklaşım, haloskop adı verilen bir cihazla galaksiye (ve dolayısıyla Dünya’ya) nüfuz eden karanlık madde halesini hedef alıyor. Güçlü bir manyetik alana batırılmış iletken bir boşluktur; ilki bizi çevreleyen karanlık maddeyi yakalar (bunun eksenler olduğunu varsayarak), ikincisi ise ışığa dönüşümü tetikler. Sonuç, boşluğun içinde beliren, eksen kütlesine bağlı olarak karakteristik bir frekansta salınan bir elektromanyetik sinyaldir.

Sistem alıcı bir radyo gibi çalışır. İlgilendiğimiz frekansı yakalayacak şekilde uygun şekilde ayarlanması gerekir. Pratik olarak boşluğun boyutları, farklı karakteristik frekanslara uyum sağlayacak şekilde değiştirilir. Eksenin ve boşluğun frekansları eşleşmiyorsa, bu tıpkı bir radyonun yanlış kanala ayarlanması gibidir.

Maalesef aradığımız kanalı önceden tahmin etmek mümkün değil. Tüm potansiyel frekansları taramaktan başka seçeneğimiz yok. Bu, frekans düğmesini her çevirdiğimizde daha büyük veya daha küçük olması gereken eski bir radyoyla beyaz gürültü denizinde (samanlıktaki iğne) bir radyo istasyonu seçmek gibidir.

Ancak zorluklar yalnızca bunlar değil. Kozmoloji şunu gösteriyor onlarca gigahertz eksen araması için en son ve gelecek vaat eden sınır olarak. Daha yüksek frekanslar daha küçük boşluklar gerektirdiğinden, bu bölgeyi keşfetmek, anlamlı miktarda sinyal yakalamak için çok küçük boşluklar gerektirecektir.

Yeni deneyler alternatif yollar bulmaya çalışıyor. Bizim Axion Boyuna Plazma Haloskop (Alfa) deneyi metamalzemelere dayalı yeni bir boşluk konsepti kullanır.

Metamalzemeler bileşenlerinden farklı küresel özelliklere sahip kompozit malzemelerdir; parçalarının toplamından daha fazlasıdırlar. İletken çubuklarla dolu bir boşluk, hacmini neredeyse hiç değiştirmeden sanki bir milyon kat daha küçükmüş gibi karakteristik bir frekans alır. Tam olarak ihtiyacımız olan şey bu. Ayrıca çubuklar yerleşik, kolay ayarlanabilen bir ayar sistemi sağlar.

Şu anda birkaç yıl içinde veri almaya hazır hale gelecek kurulumu yapıyoruz. Teknoloji umut verici. Gelişimi, katı hal fizikçileri, elektrik mühendisleri, parçacık fizikçileri ve hatta matematikçiler arasındaki işbirliğinin sonucudur.

Bu kadar yakalanması zor olmasına rağmen, eksenler hiçbir hayaletin asla geri alamayacağı ilerlemeyi körüklüyor.

Bu makale şuradan yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altındadır. Okumak orijinal makale.