Mengubah materi gelap yang tidak terlihat menjadi cahaya tampak

Gugusan galaksi, kiri, dengan cincin materi gelap terlihat, kanan. Kredit gambar: NASA, ESA, MJ Jee dan H. Ford (Universitas Johns Hopkins)

Eksplorasi materi gelap semakin maju dengan menggunakan teknik eksperimental baru yang dirancang untuk mendeteksi sumbu, dan memanfaatkan teknologi canggih serta kolaborasi interdisipliner untuk mengungkap rahasia komponen alam semesta yang sulit dipahami ini.

Hantu menghantui dunia kita. Hal ini telah dikenal dalam astronomi dan kosmologi selama beberapa dekade. Catatan Saya menyarankannya sekitar 85% Semua materi di alam semesta bersifat misterius dan tidak terlihat. Kedua kualitas ini tercermin dalam namanya: materi gelap.

Beberapa percobaan Mereka bertujuan untuk mengungkap bahan-bahan yang terkandung di dalamnya, namun meskipun telah dilakukan penelitian selama puluhan tahun, para ilmuwan masih belum berhasil. Sekarang Pengalaman baru kamisedang dibangun di Universitas Yale Di Amerika, mereka menawarkan taktik baru.

Materi gelap telah ada di alam semesta sejak awal mula waktu. Tarik bintang dan galaksi bersama-sama. Tak kasat mata dan halus, tampaknya tidak berinteraksi dengan cahaya atau jenis materi lainnya. Faktanya, ini harus menjadi sesuatu yang benar-benar baru.

Model Standar fisika partikel tidak lengkap, dan itu menjadi masalah. Kita harus mencari yang baru Partikel dasar. Anehnya, kelemahan yang sama pada model standar memberikan petunjuk berharga tentang di mana mereka bersembunyi.

Masalah dengan neutron

Ambil contoh neutron. Ini membentuk inti atom dengan proton. Meski umumnya netral, teori menyatakan bahwa ia terdiri dari tiga partikel bermuatan yang disebut quark. Karena alasan ini, kita perkirakan beberapa bagian neutron bermuatan positif dan sebagian lainnya bermuatan negatif – yang berarti bahwa para fisikawan menyebutnya sebagai momen dipol listrik.

Sampai sekarang, Banyak upaya Mengukurnya menghasilkan kesimpulan yang sama: ia terlalu kecil untuk ditemukan. Hantu lain. Kita tidak berbicara tentang kekurangan pada instrumennya, melainkan tentang faktor yang harus lebih kecil dari satu bagian dalam sepuluh miliar. Saking kecilnya, orang-orang bertanya-tanya apakah bisa jadi nol total.

Namun dalam fisika, angka nol matematika selalu merupakan pernyataan yang kuat. Pada akhir tahun 1970-an, fisikawan partikel Roberto Picci dan Helen Coyne (dan kemudian Frank Wilczek dan Steven Weinberg) berusaha menemukan Memahami teori dan bukti.

Mereka berpendapat bahwa parameternya mungkin bukan nol. Sebaliknya, ini adalah besaran dinamis yang perlahan-lahan kehilangan muatannya, dan kemudian berkembang menjadi nol ledakan besar itu. Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa jika peristiwa seperti itu terjadi, pasti meninggalkan sejumlah besar partikel cahaya ilusi.

Mereka disebut “axions” yang diambil dari nama merek deterjen karena mereka dapat “memecahkan” masalah neutron. Dan bahkan lebih. Jika sumbu diciptakan pada awal mula alam semesta, maka sumbu tersebut telah ada sejak saat itu. Yang paling penting, sifat-sifatnya menentukan semua elemen materi gelap yang diharapkan. Karena alasan ini, hub menjadi salah satunya Partikel kandidat yang disukai Untuk materi gelap.

Sumbu akan berinteraksi dengan partikel lain secara lemah. Namun, ini berarti mereka masih akan sering berinteraksi. Sumbu tak terlihat bisa berubah menjadi partikel biasa, termasuk – ironisnya – foton, inti cahaya. Hal ini dapat terjadi pada kondisi tertentu, seperti adanya medan magnet. Ini adalah anugerah bagi fisikawan eksperimental.

Desain eksperimental

Banyak eksperimen Mereka mencoba untuk menyulap hantu Axion di lingkungan laboratorium yang terkendali. Beberapa diantaranya bertujuan untuk mengubah cahaya menjadi sumbu, misalnya, dan kemudian mengubah sumbu tersebut menjadi cahaya di sisi lain dinding.

Saat ini, pendekatan paling sensitif menargetkan halo materi gelap yang menembus galaksi (dan juga Bumi) menggunakan perangkat yang disebut corona. Ini adalah rongga konduktif yang direndam dalam medan magnet yang kuat. Yang pertama mengambil materi gelap di sekitar kita (dengan asumsi itu adalah akson), sedangkan yang kedua mendorongnya untuk berubah menjadi cahaya. Hasilnya adalah sinyal elektromagnetik yang muncul di dalam rongga, berosilasi pada frekuensi karakteristik tergantung pada massa sumbu.

Sistem ini bekerja seperti penerima radio. Itu harus disesuaikan dengan benar untuk mencegat frekuensi yang diminati. Dalam prakteknya, dimensi rongga diubah untuk mengakomodasi frekuensi karakteristik yang berbeda. Jika frekuensi aksial dan rongga tidak sesuai, itu seperti menyetel radio ke saluran yang salah.

Magnet kuat tersebut diangkut ke laboratorium di Universitas Yale. Kredit: Universitas Yale

Sayangnya channel yang kita cari tidak dapat diprediksi sebelumnya. Kami tidak punya pilihan selain memindai semua frekuensi yang mungkin. Ini seperti memilih stasiun radio di lautan white noise – jarum di tumpukan jerami – dengan radio lama yang perlu diperbesar atau diperkecil setiap kali kita memutar kenop frekuensi.

Namun, ini bukan satu-satunya tantangan. Kosmologi mengacu pada Puluhan gigahertz Sebagai garis depan terbaru yang menjanjikan dalam pencarian sumbu. Karena frekuensi yang lebih tinggi memerlukan rongga yang lebih kecil, menjelajahi wilayah tersebut memerlukan rongga yang terlalu kecil untuk menangkap sejumlah sinyal yang berarti.

Eksperimen baru mencoba mencari jalur alternatif. kita Eksperimen plasmaskop memanjang (Alpha). Ini menggunakan konsep baru berdasarkan kavitasi bahan meta.

Metamaterial adalah material komposit dengan sifat universal yang berbeda dari komponen-komponennya – mereka lebih dari sekedar jumlah bagian-bagiannya. Sebuah rongga berisi batang penghantar mempunyai karakteristik frekuensi seolah-olah jutaan kali lebih kecil, sedangkan ukurannya hampir tidak berubah. Inilah yang kita butuhkan. Selain itu, palang menawarkan sistem penyesuaian bawaan yang mudah disesuaikan.

Kami sedang membangun pengaturannya, yang akan siap menerima data dalam beberapa tahun. Teknologi ini menjanjikan. Perkembangannya merupakan hasil kolaborasi antara fisikawan benda padat, insinyur listrik, fisikawan partikel, dan bahkan matematikawan.

Meskipun tidak masuk akal, aksi-aksi tersebut mendorong kemajuan yang tidak dapat dihilangkan oleh momok apa pun.

Ditulis oleh Andrea Gallo Russo, Rekan Postdoctoral Fisika, Universitas Stockholm.

Diadaptasi dari artikel yang awalnya diterbitkan di Percakapan.