Láthatatlan anyag áthatol az univerzumon, megváltoztatva a csillagok és galaxisok útját.
Ez az úgynevezett sötét anyag gravitációs vonzást gyakorol, mégis soha nem lép kölcsönhatásba a fénygel. Senki sem tudja, miből készül, és eddig lehetetlen felfedezni. De egy új elmélet végre módot nyújthat a sötét anyag tesztelésére.
A sötét anyag furcsa félmágnesekből állhat - mondta a davisi kaliforniai egyetem elméleti fizikusai a spanyolországi granadai Planck 2019 konferencia június 6-i bemutatóján. És ha bekapcsolunk egy igazán nagy teljesítményű (még létező nélkül) elektronmikroszkópot, akkor valószínűleg képesek leszünk felismerni őket.
De nem minden fizikus van meggyőződve arról.
"Úgy gondolom, hogy ügyes, de nem nagyon ígéretes" - mondta Sabine Hossenfelder, a frankfurti haladó tudományos intézet kutatója, aki nem vett részt a tanulmányban. "Végtelen sok olyan részecske található ki, amelyek kitalálhatják a sötét anyagot." Ez csak egy újabb közülük - tette hozzá.
"Ezen részecskék mindegyikéhez sok számítást végezhet, publikációkat tehet közzé és kísérleteket is feltehet, amelyekhez megpróbálhat finanszírozást szerezni." - mondta. "Ha igazán szerencséd van, valaki megteszi a kísérletet - amely akkor semmit sem talál."
A sötét anyag keresése
Noha az elméletek szerint a sötét anyag létezik, fogalmunk sincs arról, hogy néz ki, vagy miből készül. Egy darabig volt egy "gyönyörű történet", amely szerint a sötét anyag egy gyengén, szégyenlős szemcsés fenevadból áll, amelyet Gyengén Interaktív Masszív Részecskenek (WIMP) hívnak, mondta az új tanulmány társszerzője, John Terning, a a Davisi Kaliforniai Egyetem fizika professzora.
A tudósok évek óta erõs részecskegyorsítók segítségével kutatták ezeket a lassú, töltötlen részecskéket. De az idő múlásával a fizikusok egyre több WIMP jelöltet kizártak - és a népszerű ötlet elvesztette tapadását. Terning elmondta, hogy annak ellenére, hogy nem volt teljesen kizárt, "az elmúlt 10 évben az emberek más lehetőségekre gondoltak, mint a WIMP-k".
Egy másik elmélet szerint a sötét anyag valójában fényszemcsékből vagy fotonokból áll.
"A látható fotonokon kívül lehetnek olyan fotonok is, amelyeket nem látunk" - mondta Terning. Ezek az úgynevezett "sötét fotonok" hipotetikus részecskék, amelyek tömege megoszlik, de az elektronoknál könnyebbek. A sötét fotonok - bár meglehetősen gyengén - kölcsönhatásba lépnek a normál fotonokkal.
Ebben az új tanulmányban Terning és posztdoktori kutatója, Christopher Verhaaren erre az elméletre épült, és azt javasolta, hogy a sötét anyag alkothasson még sötét félmágneseket is. Ezek a hipotetikus félmágnesek a régóta keresett monopóliumok, vagy mágnesek sötét változatai. amelyeknek csak egy pólusuk van, ezt a fizikus, Paul Dirac először az 1930-as években javasolta. (A vadászat évtizedeinek ellenére a természetben még senki sem talált bizonyítékot számukra.)
Dirac nemcsak monopóliumokat javasolt; azt is javasolta, hogy a monopólium körül mozgó elektronokat a mágneses tere befolyásolja. Tehát, ha Terning és Verhaaren elmélete helyes, és ezeknek a félmágneseknek a sötét verziói valahol az univerzumban rejtőznek - és ha ezek a sötét félmágnesek úgy viselkednek, mint Dirac monopóliuma, akkor finom nyomokat hagynának az elektronok útjában.
Ha sötét monopólok léteznek, akkor sötét fotonokat bocsátanak ki, amelyek szabályos fotonokká alakulnak át, mielőtt az elektronok abszorbeálódnának - mondta Terning. Ez az interakció miatt az elektronok csak egy apró darabig forognak, vagy megváltoztatják az irányt, és így olyan interferenciamintázatot kapnak, amelyet Aharonov-Bohm effektusnak hívnak. (Az elektronok nem csupán részecskék, hanem hullámok is, és egy interferenciamintázat akkor mutatkozik meg, amikor az elektronok "hullámagyenletében" megjelenő csúcsok és völgyek összeadják vagy törlik egymást, létrehozva egy párhuzamos fény és sötét vonalak.) Terning és Verhaaren azt sugallják, hogy képesek lennének elektronmikroszkópok segítségével kimutatni az elektron interferencia mintázatoknak ezt a nagyon csekély változását.
Izgatott a nap
Ha létezik sötét anyag, akkor bennünk és körülöttünk van - beleértve minden olyan elektronnyaláb-mikroszkópot és annak környékét is, amelyet fel fogunk használni annak detektálására. De ahhoz, hogy a sötét anyagot elektronok zavarásával felismerje, a sötét anyagot alkotó furcsa félmágneseknek elég erős mágneses mezővel kell rendelkezniük. Ez azt jelenti, hogy ezeknek a félmágneseknek sok energiára van szükségük.
A nap közelében áthaladó monopóliumok izgatottak lehetnek, több energiát szerezhetnek, majd utat tehetnek a Földre - mondta Terning. Azt jósolja, hogy ezen izgatott monopóliumok közül körülbelül öt naponta átmegy valamelyik javasolt elektronnyaláb-mikroszkóp méretén. "Ez nem rossz, mert a szokásos WIMP detektorok örülnének, ha évente öt rendezvényt szerveznének" - mondta.
Ezenkívül a sötét félmágnesek által okozott elektronfázis változása olyan csekély lesz, hogy annak felismeréséhez hihetetlenül nagy felbontású elektronnyaláb-mikroszkópokra lenne szükségünk - a jelenleg létezőek valószínűleg nem elég erősek . Ennek az elektronmikroszkópnak olyan felbontással kell rendelkeznie, amely ötször nagyobb, mint a jelenleg létező - mondta Terning.
Mindenesetre reméljük, hogy "felhívjuk ezeket az embereket a fantasztikus elektronmikroszkópokra, hogy érdeklődjenek ezen keresés iránt", vagy "lehet, hogy építenünk kell még egyet, hogy csak üljünk és várjunk a sötét anyagra" - mondta Terning.
A sötét anyag különféle versengő elméletei teljesen más történeteket fognak mondani nekünk arról, hogyan alakult ki a korai világegyetem. Sőt, ha rájössz, hogy a sötét anyagból valójában melyik készül - akár könnyű, akár nehéz részecskékből -, akkor az emberek elképzelhetően itt hozhatnak létre a sötét anyag gyárait, különféle fajtáit, a Földön. "Ha nagyon könnyű, akkor nincs szüksége sok energiára saját sötét anyagának előállításához."
A tudósok közzétették tanulmányukat az arXiv preprint folyóiratban. Még nem készült szakértői értékelés.
