Περίπου το 80% του συνόλου της ύλης στον Κόσμο είναι μια μορφή εντελώς άγνωστη στην τρέχουσα φυσική. Το ονομάζουμε σκοτεινή ύλη, γιατί όσο καλύτερα μπορούμε να πούμε ότι είναι ... σκοτεινό. Τα πειράματα σε όλο τον κόσμο επιχειρούν να συλλάβουν ένα αδέσποτο σωματίδιο σκοτεινής ύλης με την ελπίδα να το καταλάβουν, αλλά μέχρι τώρα έχουν γυρίσει άδειο.
Πρόσφατα, μια ομάδα θεωρητικών πρότεινε έναν νέο τρόπο για να κυνηγήσει τη σκοτεινή ύλη χρησιμοποιώντας περίεργα "σωματίδια" που ονομάζονται magnons, ένα όνομα που δεν έκανα μόνο. Αυτές οι μικροσκοπικές κυματισμοί θα μπορούσαν να προσελκύσουν ακόμη και ένα φευγαλέο, ελαφρύ σωματίδιο σκοτεινής ύλης από την απόκρυψη, λένε εκείνοι οι θεωρητικοί.
Το παζλ της σκοτεινής ύλης
Γνωρίζουμε όλα τα πράγματα για τη σκοτεινή ύλη, με την αξιοσημείωτη εξαίρεση του τι είναι.
Παρόλο που δεν μπορούμε να το ανιχνεύσουμε άμεσα, βλέπουμε τα στοιχεία της σκοτεινής ύλης μόλις ανοίξουμε τα τηλεσκόπια μας στο ευρύτερο σύμπαν. Η πρώτη αποκάλυψη, που ξεκίνησε τη δεκαετία του 1930, προήλθε από τις παρατηρήσεις των συστάδων γαλαξιών, μερικές από τις μεγαλύτερες δομές του σύμπαντος. Οι γαλαξίες που κατοικούσαν ήταν απλά κινούνται πολύ γρήγορα για να κρατηθούν μαζί σαν συστάδες. Αυτό συμβαίνει επειδή η συλλογική μάζα των γαλαξιών δίνει την βαρυτική κόλλα που συγκρατεί το σύμπλεγμα μαζί - όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο ισχυρότερη είναι η κόλλα. Μια υπερ-ισχυρή κόλλα μπορεί να συγκρατήσει ακόμη και τους ταχύτερα κινούμενους γαλαξίες. Οποιαδήποτε ταχύτερη και το σύμπλεγμα απλώς θα σχιστεί.
Αλλά εκεί υπήρχαν οι συστάδες, με τους γαλαξίες να τρέμουν μέσα τους πολύ πιο γρήγορα από ό, τι θα έπρεπε, δεδομένης της μάζας του συμπλέγματος. Κάτι είχε αρκετή βαρυτική λαβή για να συγκρατήσει τα συσσωματώματα μαζί, αλλά κάτι κάτι δεν εκπέμπει ούτε αλληλεπιδρά με το φως.
Αυτό το μυστήριο παρέμεινε ανεπίλυτο μέσα στις δεκαετίες και στη δεκαετία του 1970 ο αστρονόμος Βέρα Ρουμπίν ανέβασε το ante σε μεγάλο βαθμό μέσα από παρατηρήσεις των αστεριών μέσα στους γαλαξίες. Και πάλι, τα πράγματα κινούνταν πολύ γρήγορα: Λαμβάνοντας υπόψη την παρατηρούμενη μάζα τους, οι γαλαξίες στο σύμπαν μας θα έπρεπε να περιστραφούν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Κάτι τους κρατούσε μαζί. Κάτι αόρατο.
Η ιστορία επαναλαμβάνεται σε ολόκληρο τον κόσμο, τόσο στο χρόνο όσο και στο διάστημα. Από το παλαιότερο φως από το Big Bang μέχρι τις μεγαλύτερες δομές του σύμπαντος, κάτι funky είναι εκεί έξω.
Αναζήτηση στο σκοτάδι
Έτσι, η σκοτεινή ύλη είναι πολύ εκεί - απλά δεν μπορούμε να βρούμε άλλη βιώσιμη υπόθεση για να εξηγήσουμε το τσουνάμι των δεδομένων για την υποστήριξη της ύπαρξής της. Αλλά τι είναι; Η καλύτερη εικασία μας είναι ότι η σκοτεινή ύλη είναι ένα είδος νέου, εξωτικού σωματιδίου, που μέχρι τώρα ήταν άγνωστο στη φυσική. Στην εικόνα αυτή, η σκοτεινή ύλη πλημμυρίζει κάθε γαλαξία. Στην πραγματικότητα, το ορατό τμήμα ενός γαλαξία, όπως φαίνεται από τα αστέρια και τα σύννεφα του φυσικού αερίου και της σκόνης, είναι απλά ένας μικροσκοπικός φάρος που βρίσκεται σε μια πολύ μεγαλύτερη, σκοτεινότερη ακτή. Κάθε γαλαξίας κάθεται μέσα σε ένα μεγάλο "φωτοστέφανο" που αποτελείται από zillions σε zillions σωματιδίων σκοτεινής ύλης.
Αυτά τα σωματίδια σκοτεινής ύλης διαχέονται μέσα από το δωμάτιό σας αυτή τη στιγμή. Στέλνουν μέσα σου. Ένα ατελείωτο ντους βροχής, μικρά, αόρατα σωματίδια σκοτεινής ύλης. Αλλά απλά δεν τις παρατηρείτε. Δεν αλληλεπιδρούν με το φως ή με φορτισμένα σωματίδια. Είστε κατασκευασμένοι από φορτισμένα σωματίδια και είστε πολύ φιλικοί με το φως. είστε αόρατοι στη σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ύλη είναι αόρατη σε σας. Ο μόνος τρόπος που βλέπουμε τη σκοτεινή ύλη είναι μέσω της βαρυτικής δύναμης. η βαρύτητα παρατηρεί κάθε μορφή ύλης και ενέργειας στο σύμπαν, σκοτεινό ή όχι, έτσι στις μεγαλύτερες κλίμακες παρατηρούμε την επίδραση της συνδυασμένης μάζας όλων αυτών των αμέτρητων σωματιδίων. Αλλά εδώ στο δωμάτιό σας; Τίποτα.
Εκτός αν, ελπίζουμε, υπάρχει κάποιος άλλος τρόπος με τον οποίο η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με την κανονική μας ύλη. Είναι πιθανό ότι το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, όποια και αν είναι η τύχη του, αισθάνεται επίσης την αδύναμη πυρηνική δύναμη - η οποία είναι υπεύθυνη για τη ραδιενεργή αποσύνθεση - ανοίγοντας ένα νέο παράθυρο σε αυτό το κρυμμένο πεδίο. Φανταστείτε την κατασκευή ενός γιγαντιαίου ανιχνευτή, απλά μια μεγάλη μάζα από οποιοδήποτε στοιχείο που έχετε βολικό. Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ρέουν μέσα από αυτά, σχεδόν όλα αυτά εντελώς ακίνδυνα. Αλλά μερικές φορές, με μια σπανιότητα που εξαρτάται από το συγκεκριμένο μοντέλο της σκοτεινής ύλης, το σωματίδιο που διέρχεται αλληλεπιδρά με έναν από τους ατομικούς πυρήνες των στοιχείων στον ανιχνευτή μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, χτυπάει το από το μέρος και κάνει ολόκληρη τη μάζα του ανιχνευτή ανατριχίλα.
Εισάγετε τον μαγνήτη
Αυτή η πειραματική ρύθμιση λειτουργεί μόνο εάν το σωματίδιο σκοτεινής ύλης είναι σχετικά βαρύ, δίνοντάς του αρκετό χρόνο για να χτυπήσει έναν πυρήνα σε μία από αυτές τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις. Μέχρι στιγμής, κανένας από τους ανιχνευτές σκοτεινής ύλης σε όλο τον κόσμο δεν έχει δει κανένα ίχνος αλληλεπίδρασης, ακόμα και μετά από χρόνια και χρόνια αναζήτησης. Καθώς τα πειράματα έχουν γείωση κατά μήκος, οι επιτρεπτές ιδιότητες της σκοτεινής ύλης αποκλείστηκαν σιγά-σιγά. Αυτό δεν είναι απαραίτητα κακό πράγμα. απλά δεν ξέρουμε από τι συντίθεται η σκοτεινή ύλη, τόσο περισσότερο γνωρίζουμε για το τι δεν είναι, τόσο πιο σαφής είναι η εικόνα του τι θα μπορούσε να είναι.
Αλλά η έλλειψη αποτελεσμάτων μπορεί να είναι λίγο ανησυχητική. Οι βαρύτεροι υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη αποκλείονται, και αν το μυστηριώδες σωματίδιο είναι πολύ ελαφρύ, δεν θα εμφανιστεί ποτέ στους ανιχνευτές, όπως έχουν δημιουργηθεί αυτή τη στιγμή. Δηλαδή, αν δεν υπάρχει κάποιος άλλος τρόπος με τον οποίο η σκοτεινή ύλη μπορεί να μιλήσει σε τακτική υπόθεση.
Σε ένα πρόσφατο άρθρο που δημοσιεύθηκε στο online περιοδικό preprint arXiv, οι φυσικοί αναλύουν μια προτεινόμενη πειραματική ρύθμιση που θα μπορούσε να εντοπίσει σωματίδιο σκοτεινής ύλης στην πράξη αλλαγής της περιστροφής ηλεκτρονίων (αν στην πραγματικότητα η σκοτεινή ύλη το κάνει). Σε αυτή τη ρύθμιση, η σκοτεινή ύλη μπορεί ενδεχομένως να ανιχνευθεί, ακόμη και αν το ύποπτο σωματίδιο είναι πολύ ελαφρύ. Αυτό μπορεί να γίνει με τη δημιουργία λεγόμενων μαγνητών στο υλικό.
Προσποιείτε ότι έχετε ένα κομμάτι υλικού σε θερμοκρασία απόλυτου μηδενός. Όλες οι περιστροφές - όπως μικροσκοπικές μικρές μαγνήτες ράβδων - όλων των ηλεκτρονίων σε αυτό το θέμα θα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση. Καθώς αυξάνετε σιγά-σιγά τη θερμοκρασία, μερικά από τα ηλεκτρόνια θα αρχίσουν να ξυπνούν, να περιστρέφονται και να δείχνουν τυχαία τις περιστροφές τους προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όσο υψηλότερη ανυψώνετε τη θερμοκρασία, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια στρέφονται προς τα πάνω - και κάθε ένα από αυτά περιστρέφει τη μαγνητική δύναμη μόνο λίγο. Κάθε μία από αυτές τις περιστρεφόμενες περιστροφές προκαλεί επίσης μια μικρή κυματισμός στην ενέργεια του υλικού και αυτές οι κουνουπιές μπορούν να θεωρηθούν ως quasiparticle, όχι ένα πραγματικό σωματίδιο, αλλά κάτι που μπορείτε να περιγράψετε με μαθηματικά με αυτόν τον τρόπο. Αυτά τα quasiparticles είναι γνωστά ως "magnons", πιθανώς επειδή είναι σαν μικρά, χαριτωμένα μικρά μαγνήτες.
Έτσι, αν ξεκινήσετε με ένα πραγματικά κρύο υλικό, και αρκετά σωματίδια σκοτεινής ύλης χτυπάνε το υλικό και γυρίσουν μερικές περιστροφές γύρω, θα παρατηρήσετε magnons. Λόγω της ευαισθησίας του πειράματος και της φύσης των αλληλεπιδράσεων, αυτή η εγκατάσταση μπορεί να ανιχνεύσει ένα ελαφρύ σωματίδιο σκοτεινής ύλης.
Δηλαδή, αν υπάρχει.
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής του Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο και Διαστημικό ραδιόφωνο, και συγγραφέας του Η Θέση σας στο Σύμπαν.
