Cụm thiên hà, bên trái, với vòng vật chất tối có thể nhìn thấy, bên phải. Nguồn hình ảnh: NASA, ESA, MJ Jee và H. Ford (Đại học Johns Hopkins)

Các cuộc khám phá vật chất tối đang tiến triển bằng cách sử dụng các kỹ thuật thử nghiệm mới được thiết kế để phát hiện các trục, đồng thời tận dụng công nghệ tiên tiến và sự hợp tác liên ngành để khám phá những bí mật của thành phần khó nắm bắt này của vũ trụ.

Một hồn ma ám ảnh thế giới của chúng ta. Điều này đã được biết đến trong thiên văn học và vũ trụ học trong nhiều thập kỷ. Ghi chú Tôi đề nghị nó khoảng 85% Mọi vật chất trong vũ trụ đều bí ẩn và vô hình. Hai phẩm chất này được phản ánh trong tên của nó: vật chất tối.

Một số thí nghiệm Họ đặt mục tiêu khám phá các thành phần của chúng, nhưng bất chấp hàng thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học vẫn chưa đạt được kết quả. Hiện nay Trải nghiệm mới của chúng tôiđang được xây dựng tại đại học Yale Ở Hoa Kỳ, nó đưa ra một chiến thuật mới.

Vật chất tối đã tồn tại xung quanh vũ trụ kể từ thời xa xưa. Kéo các ngôi sao và thiên hà lại với nhau. Vô hình và tinh tế, nó dường như không tương tác với ánh sáng hoặc bất kỳ loại vật chất nào khác. Trên thực tế, nó phải là một cái gì đó hoàn toàn mới.

Mô hình Chuẩn của vật lý hạt chưa hoàn chỉnh và đó là một vấn đề. Chúng ta phải tìm kiếm cái mới Các hạt cơ bản. Điều đáng ngạc nhiên là những sai sót tương tự của mô hình chuẩn lại đưa ra những gợi ý quý giá về nơi chúng có thể ẩn náu.

Vấn đề với neutron

Lấy neutron chẳng hạn. Nó tạo thành hạt nhân nguyên tử với proton. Mặc dù nói chung là trung hòa, lý thuyết cho rằng nó được tạo thành từ ba hạt tích điện gọi là quark. Vì lý do này, chúng ta hy vọng một số phần của neutron sẽ tích điện dương và những phần khác sẽ tích điện âm – nghĩa là nó có cái mà các nhà vật lý gọi là mômen lưỡng cực điện.

Cho đến bây giờ, Nhiều nỗ lực Việc đo nó dẫn đến cùng một kết luận: nó quá nhỏ để có thể khám phá được. Một hồn ma khác. Chúng ta không nói về những thiếu sót trong các công cụ mà là về một hệ số phải nhỏ hơn một phần mười tỷ. Nó nhỏ đến mức người ta tự hỏi liệu nó có thể hoàn toàn bằng không hay không.

Nhưng trong vật lý, số 0 toán học luôn là một tuyên bố mạnh mẽ. Vào cuối những năm 1970, các nhà vật lý hạt Roberto Picci và Helen Coyne (và sau này là Frank Wilczek và Steven Weinberg) đã cố gắng khám phá Hiểu lý thuyết và bằng chứng.

Họ cho rằng tham số có thể không bằng 0. Đúng hơn, nó là một đại lượng động mất dần điện tích và sau đó tiến hóa về không vụ nổ lớn. Các tính toán lý thuyết cho thấy nếu một sự kiện như vậy xảy ra thì nó phải để lại một số lượng lớn các hạt ánh sáng ảo ảnh.

Chúng được gọi là “axion” theo tên một nhãn hiệu chất tẩy rửa vì chúng có thể “giải quyết” vấn đề neutron. Va thậm chi nhiêu hơn. Nếu các trục được tạo ra vào thời kỳ đầu của vũ trụ thì chúng đã tồn tại kể từ đó. Quan trọng nhất, các thuộc tính của nó xác định tất cả các yếu tố dự kiến ​​của vật chất tối. Vì những lý do này, các trung tâm đã trở thành một trong những Các hạt ứng cử viên ưa thích Đối với vật chất tối.

Axion sẽ chỉ tương tác yếu với các hạt khác. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là họ vẫn sẽ tương tác khá nhiều. Các trục vô hình có thể biến đổi thành các hạt thông thường, bao gồm – trớ trêu thay – các photon, bản chất của ánh sáng. Điều này có thể xảy ra trong một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như sự hiện diện của từ trường. Đây là một ơn trời cho các nhà vật lý thực nghiệm.

Thiết kế thử nghiệm

Nhiều thí nghiệm Họ cố gắng gợi lên hồn ma của Axion trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát. Ví dụ, một số trong số chúng nhằm mục đích chuyển đổi ánh sáng thành trục, sau đó biến trục thành ánh sáng ở phía bên kia bức tường.

Hiện tại, cách tiếp cận nhạy cảm nhất nhắm vào quầng vật chất tối tràn ngập thiên hà (và do đó là Trái đất) bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là hào quang. Đó là một khoang dẫn điện được đặt trong từ trường mạnh. Cái trước nhặt vật chất tối xung quanh chúng ta (giả sử đó là sợi trục), trong khi cái sau thúc đẩy nó biến thành ánh sáng. Kết quả là một tín hiệu điện từ xuất hiện bên trong hộp, dao động ở tần số đặc trưng tùy thuộc vào khối lượng của trục.

Hệ thống hoạt động giống như một máy thu radio. Nó phải được điều chỉnh hợp lý để chặn tần suất quan tâm. Trong thực tế, kích thước của khoang được thay đổi để phù hợp với các tần số đặc trưng khác nhau. Nếu tần số trục và khoang không khớp nhau, điều đó giống như điều chỉnh đài sai kênh.

Nam châm cực mạnh được vận chuyển đến phòng thí nghiệm tại Đại học Yale. Tín dụng: Đại học Yale

Thật không may, kênh chúng tôi đang tìm kiếm không thể đoán trước được. Chúng tôi không có lựa chọn nào khác ngoài việc quét tất cả các tần số có thể. Nó giống như việc chọn một đài phát thanh trong một biển tiếng ồn trắng – kim đáy bể – với một chiếc đài cũ cần phải phóng to hoặc thu nhỏ mỗi khi chúng ta xoay núm tần số.

Tuy nhiên, đây không phải là những thách thức duy nhất. Vũ trụ học đề cập đến Hàng chục gigahertz Là biên giới đầy hứa hẹn mới nhất của việc tìm kiếm các trục. Vì tần số cao hơn đòi hỏi các khoang nhỏ hơn, nên việc khám phá vùng đó sẽ yêu cầu các khoang quá nhỏ để thu được lượng tín hiệu có ý nghĩa.

Các thí nghiệm mới cố gắng tìm ra những con đường thay thế. của chúng tôi Thí nghiệm plasmascope theo chiều dọc (Alpha). Nó sử dụng một khái niệm mới về cavitation dựa trên siêu vật liệu.

Siêu vật liệu là vật liệu tổng hợp có các đặc tính phổ quát khác với các thành phần của chúng – chúng nhiều hơn tổng các bộ phận của chúng. Một khoang chứa đầy các thanh dẫn có tần số đặc trưng như thể nó nhỏ hơn hàng triệu lần, trong khi kích thước của nó hầu như không thay đổi. Đây chính xác là những gì chúng ta cần. Ngoài ra, các thanh còn có hệ thống điều chỉnh tích hợp, dễ điều chỉnh.

Chúng tôi hiện đang xây dựng thiết lập để sẵn sàng nhận dữ liệu sau vài năm nữa. Công nghệ này đầy hứa hẹn. Sự phát triển của nó là kết quả của sự hợp tác giữa các nhà vật lý chất rắn, kỹ sư điện, nhà vật lý hạt và thậm chí cả nhà toán học.

Mặc dù rất xa vời nhưng axion đang thúc đẩy sự tiến bộ mà không bóng ma nào có thể loại bỏ được.

Viết bởi Andrea Gallo Russo, Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về Vật lý, Đại học Stockholm.

Chuyển thể từ một bài viết ban đầu được xuất bản trong Cuộc hội thoại.