Niewidoczna substancja przenika wszechświat, zmieniając ścieżki gwiazd i galaktyk.
Ta tak zwana ciemna materia działa grawitacyjnie, ale nigdy nie wchodzi w interakcje ze światłem. Nikt nie wie, z czego jest wykonany i do tej pory nie można go było wykryć. Ale nowa teoria może wreszcie zapewnić sposób na sprawdzenie ciemnej materii.
Ciemna materia może składać się z dziwnych pół-magnesów, twierdzili fizycy teoretyczni z University of California w Davis, podczas prezentacji 6 czerwca na konferencji Planck 2019 w Granadzie w Hiszpanii. Włączając naprawdę potężny (jeszcze nieistniejący) mikroskop elektronowy, możemy w końcu być w stanie je wykryć.
Ale nie wszyscy fizycy są przekonani.
„Myślę, że jest to schludne, ale niezbyt obiecujące” - powiedziała Sabine Hossenfelder, pracownik naukowy we Frankfurckim Instytucie Studiów Zaawansowanych, który nie brał udziału w badaniu. „Istnieje nieskończenie wiele cząstek, które możesz wymyślić, które mogą tworzyć ciemną materię”. To tylko kolejny z nich, dodała.
„Dla każdej z tych cząstek możesz wykonać wiele obliczeń, opublikować prace i wymyślić eksperymenty, na które możesz następnie zdobyć fundusze” - powiedziała. „Jeśli masz naprawdę szczęście, ktoś przeprowadzi eksperyment - i wtedy niczego nie znajdziesz”.
Poszukiwanie ciemnej materii
Chociaż teorie przewidują, że ciemna materia istnieje, nie mamy pojęcia, jak ona wygląda i z czego jest zrobiona. Przez pewien czas istniała „piękna historia”, że ciemna materia składa się z ociężałej, nieśmiałej bestii cząstki znanej jako słabo oddziaływująca masywna cząstka lub WIMP, powiedział współautor nowego badania, John Terning, profesor fizyki na University of California, Davis.
Przez lata naukowcy szukali tych powolnych, nienaładowujących się cząstek, używając potężnych akceleratorów cząstek. Ale z biegiem czasu fizycy wykluczali coraz więcej kandydatów do WIMP, a popularny pomysł stracił przyczepność. Terning powiedział, że choć nie do końca wykluczone, „przez ostatnie 10 lat ludzie myśleli o innych możliwościach niż WIMP.
Inna teoria sugeruje, że ciemna materia faktycznie składa się z cząstek światła lub fotonów.
„Oprócz zwykłych fotonów, które widzimy, mogą istnieć fotony, których nie widzimy” - powiedział Terning. Te tak zwane „ciemne fotony” są hipotetycznymi cząsteczkami, które mają masę, ale są lżejsze od elektronów. Ciemne fotony oddziaływałyby - choć raczej słabo - ze zwykłymi fotonami.
W tym nowym badaniu Terning i jego doktorant Christopher Verhaaren oparli się na tej teorii, proponując, że ciemna materia może również składać się z ciemnych pół-magnesów. Te hipotetyczne pół-magnesy byłyby ciemnymi wersjami długo poszukiwanych monopoli lub magnesów które mają tylko jeden biegun, który fizyk Paul Dirac po raz pierwszy zaproponował w latach 30. XX wieku. (Mimo dziesięcioleci polowań nikt jeszcze nie znalazł na nie dowodów w przyrodzie).
Dirac nie zaproponował jednak tylko monopoli; zasugerował również, że na elektron poruszający się wokół monopola będzie miało wpływ jego pole magnetyczne. Więc jeśli teoria Terninga i Verhaarena jest słuszna, a ciemne wersje tych pół-magnesów czają się gdzieś we wszechświecie - i jeśli te ciemne pół-magnesy działają jak monopol Diraca - pozostawiliby również subtelne wskazówki na ścieżkach elektronów.
Terning powiedział, że gdyby istniały ciemne monopole, emitowałyby ciemne fotony, które mogą przekształcić się w zwykłe fotony, zanim zostaną wchłonięte przez elektrony. Ta interakcja spowodowałaby, że elektrony nieznacznie się obracają lub zmieniają kurs, wytwarzając wzór interferencji zwany efektem Aharonova-Bohma. (Elektrony to nie tylko cząsteczki, to także fale, a wzór interferencji pojawia się, gdy szczyty i doliny w „równaniu falowym” elektronu sumują się lub znoszą, tworząc serię równoległego światła i ciemne linie.) Terning i Verhaaren sugerują, że mogą być w stanie wykryć tę bardzo niewielką zmianę we wzorcach interferencji elektronowej za pomocą mikroskopów elektronowych.
Podekscytowany słońcem
Jeśli ciemna materia istnieje, to jest w nas i wokół nas - w tym w każdym mikroskopie elektronowym, którego byśmy użyli do jego wykrycia. Ale aby wykryć ciemną materię poprzez zakłócenie elektronów, dziwne półmagnesy tworzące ciemną materię musiałyby mieć wystarczająco silne pole magnetyczne. Oznacza to, że te pół-magnesy musiałyby mieć dużo energii.
Terning powiedział, że monopole przechodzące w pobliżu Słońca mogą się podniecić, zdobyć więcej energii, a następnie zejść na Ziemię. Przewiduje, że około pięciu z tych wzbudzonych monopoli dziennie przejdzie coś wielkości proponowanego mikroskopu wiązki elektronów. „To nie jest złe, ponieważ zwykłe detektory WIMP byłyby szczęśliwe, gdyby dostały pięć wydarzeń rocznie” - powiedział.
Ponadto zmiana fazy elektronowej spowodowana przez ciemne półmagnesy byłaby tak niewielka, że do jej wykrycia potrzebowalibyśmy niesamowicie wysokiej rozdzielczości mikroskopów wiązki elektronowej - te obecnie istniejące prawdopodobnie nie są wystarczająco silne . Terning powiedział, że ten mikroskop elektronowy musiałby mieć rozdzielczość pięciokrotnie większą niż obecnie.
W każdym razie mamy nadzieję, że „zainteresujemy tych super-fantazyjnych mikroskopów elektronowych poszukiwaniem tego”, albo „będziemy musieli zbudować kolejny tylko po to, aby usiąść i czekać na ciemną materię”, powiedział Terning.
Powiedział, że różne konkurujące ze sobą teorie ciemnej materii opowiadałyby nam zupełnie inne historie o tym, jak powstał wczesny wszechświat. Co więcej, kiedy odkryjesz, z czego faktycznie zbudowana jest ciemna materia - czy to lekkie, czy ciężkie cząstki - ludzie mogliby stworzyć fabryki ciemnej materii, tutaj, na Ziemi. „Jeśli jest bardzo lekki, nie potrzebujesz dużo energii, aby wytworzyć własną ciemną materię”.
Naukowcy opublikowali swoje badania w czasopiśmie arXiv. Nie został jeszcze sprawdzony.
