Näkymätön aine tunkeutuu maailmankaikkeuteen muuttaen tähtijen ja galaksien polkuja.
Tämä ns. Pimeä aine vie gravitaation, mutta ei koskaan vuorovaikutuksessa valon kanssa. Kukaan ei tiedä mistä se on tehty, ja sitä on ollut mahdotonta havaita toistaiseksi. Mutta uusi teoria voisi vihdoinkin tarjota tavan testata tummaa ainetta.
Tumma aine voi koostua outoista puolimagneeteista, Kalifornian Davisin yliopiston teoreettiset fyysikot kertoivat esityksessään 6. kesäkuuta Planck 2019 -konferenssissa Granadassa, Espanjassa. Ja kytkemällä päälle todella voimakkaan (vielä olematon) elektronimikroskoopin, voimme vihdoin pystyä havaitsemaan ne.
Mutta kaikki fyysikot eivät ole vakuuttuneita.
"Mielestäni se on siisti, mutta ei kovin lupaava", sanoi Frankfurtin syventävän tutkimuksen instituutin tutkija Sabine Hossenfelder, joka ei ollut osa tutkimusta. "Voit keksitä äärettömän paljon hiukkasia, jotka voivat muodostaa tumman aineen." Tämä on vain yksi niistä, hän lisäsi.
"Jokaiselle näistä hiukkasista voit tehdä paljon laskelmia, julkaista paperit ja ajatella kokeiluja, joihin voit yrittää saada rahoitusta", hän sanoi. "Jos olet todella onnekas, joku tekee kokeilusi - joka ei sitten löydä mitään."
Pimeän aineen etsintä
Vaikka teoriat ennustavat, että pimeä aine on olemassa, meillä ei ole aavistustakaan miltä se näyttää tai mistä se on tehty. Jonkin aikaa oli "kaunis tarina", jonka mukaan pimeä aine koostui heikkoa, ujoa petoa hiukkasesta, joka tunnetaan heikosti vuorovaikutteisena massiivisena partikkeliksi tai WIMP: ksi, sanoi uuden tutkimuksen avustaja, John Terning, fysiikan professori Kalifornian yliopistossa, Davis.
Vuosien ajan tutkijat etsivät näitä hitaita, lataamattomia hiukkasia voimakkaiden hiukkaskiihdyttimien avulla. Mutta ajan myötä fyysikot sulkivat pois yhä useammat WIMP-ehdokkaat - ja suosittu idea menetti pitoaan. Terning sanoi, että vaikka sitä ei ole täysin suljettu pois, "viimeisen 10 vuoden ajan ihmiset ovat ajatelleet muita mahdollisuuksia kuin WIMP-ohjelmia".
Toinen teoria ehdottaa, että tumma aine koostuu todellisuudessa valon hiukkasista tai fotoneista.
"Tavallisten fotonien lisäksi, joita voimme nähdä, voi olla joitain fotoneja, joita emme näe", Terning sanoi. Nämä ns. "Tummat fotonit" ovat hypoteettisia hiukkasia, joilla on massa, mutta jotka ovat kevyempiä kuin elektronit. Tummat fotonit olisivat vuorovaikutuksessa - tosin melko heikosti - säännöllisten fotonien kanssa.
Tässä uudessa tutkimuksessa Terning ja hänen tutkijatohtorinsa Christopher Verhaaren rakensivat tämän teorian pohjalta ehdotuksen, että tumma aine voisi muodostua myös tummista puolimagneeteista. Nämä hypoteettiset puolimagneetit olisivat kauan etsittyjen monopolien tai magneettien tummat versiot joilla on vain yksi napa, fyysikko Paul Dirac ehdotti ensimmäisen kerran 1930-luvulla. (Huolimatta vuosikymmenien metsästyksestä, kukaan ei ole vielä löytänyt todisteita heistä luonnossa.)
Dirac ei kuitenkaan ehdottanut vain monopoleja; hän ehdotti myös, että monopolin ympäri liikkuvaan elektroniin vaikuttaisi sen magneettikenttä. Joten, jos Terningin ja Verhaarenin teoria on oikeassa, ja näiden puolimagneettien tummat versiot varjelevat jossain maailmankaikkeudessa - ja jos nämä tummat puolimagneetit toimivat kuten Diracin monopoli - ne jättäisivät myös hienoisia vihjeitä elektronien poluille.
Jos tummia monopoleja on olemassa, ne lähettäisivät tummia fotoneja, jotka voivat muuttua säännöllisiksi fotoneiksi ennen kuin ne imeytyisivät elektroneihin, Terning sanoi. Tämä vuorovaikutus aiheuttaisi elektronien pyörimisen tai muutoksen vain pienellä osuudella, mikä tuottaa häiriökuvion, jota kutsutaan Aharonov-Bohm -tehosteeksi. (Elektronit eivät ole vain hiukkasia, ne ovat myös aaltoja, ja häiriökuvio ilmenee, kun elektronien "aaltoyhtälön" piikit ja laaksot joko kasvattavat tai peruuttavat toisiaan, muodostaen sarjan yhdensuuntaista valoa ja tummat viivat.) Terning ja Verhaaren ehdottavat, että he voisivat pystyä havaitsemaan tämän hyvin pienen muutoksen elektronien häiriökuvioissa elektronimikroskoopeilla.
Innostunut auringosta
Jos tummaa ainetta on olemassa, se on meissä ja ympärillämme - myös missä tahansa elektronisäteen mikroskoopissa ja sen ympäristössä, jota käyttäisimme sen havaitsemiseen. Mutta tumman aineen havaitsemiseksi elektronien häiriöiden kautta, omituisilla puolimagneeteilla, jotka muodostavat tumman aineen, olisi oltava riittävän vahva magneettikenttä. Tämä tarkoittaa, että näillä puolimagneeteilla olisi oltava paljon energiaa.
Auringon lähellä kulkevat monopoolit voivat innostua, saada enemmän energiaa ja siirtyä sitten maan päälle, Terning sanoi. Hän ennustaa, että noin viisi näistä kiihtyneistä monopoleista päivässä menisi läpi ehdotetun elektronisäteen mikroskoopin koon. "Se ei ole huono asia, koska tavalliset WIMP-ilmaisimet olisivat iloisia, jos he saisivat viisi tapahtumaa vuodessa", hän sanoi.
Lisäksi tummien puolimagneettien aiheuttama muutos elektronifaasissa olisi niin pieni, että sen havaitsemiseksi tarvitsisimme uskomattoman korkearesoluutioisia elektronisädemikroskooppeja - nykyiset eivät todennäköisesti ole riittävän tehokkaita . Tällä elektronimikroskoopilla pitäisi olla viisi kertaa suurempi resoluutio kuin tällä hetkellä, Terning sanoi.
Joka tapauksessa toivomme saavamme nämä ihmiset kiinnostavien superhienojen elektronimikroskooppien kanssa kiinnostuneiksi etsimään tätä "tai meidän" on ehkä rakennettava toinen vain istumaan ja odottamaan pimeää ainetta ", Terning sanoi.
Eri kilpailevat pimeän aineen teoriat kertoisivat meille täysin erilaisia tarinoita siitä, miten varhainen maailmankaikkeus muodostui, hän sanoi. Edelleen, kun olet selvittänyt, mistä pimeästä aineesta tosiasiallisesti tehdään - oli se sitten kevyitä tai raskaita hiukkasia - ihmiset voisivat mahdollisesti luoda pimeän aineen tehtaita, eräänlaisia, tänne maan päälle. "Jos se on erittäin kevyt, et tarvitse paljon energiaa oman tumman aineesi tuottamiseksi."
Tutkijat julkaisivat tutkimuksensa esipainetussa arXiv-lehdessä. Sitä ei ole vielä vertaisarvioitu.
