Ο ανιχνευτής Windchime θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τη βαρύτητα για να κυνηγήσει τον «άνεμο» της σκοτεινής ύλης

2
Ο ανιχνευτής Windchime θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τη βαρύτητα για να κυνηγήσει τον «άνεμο» της σκοτεινής ύλης

Το μυστικό για την άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι ο άνεμος.

Η μυστηριώδης ουσία συνεχίζει να διαφεύγει από τους επιστήμονες, παρόλο που υπερτερεί της ορατής ύλης στο σύμπαν κατά περίπου 8 προς 1. Όλες οι εργαστηριακές προσπάθειες για την άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης – που παρατηρούνται μόνο έμμεσα από την επίδραση της βαρύτητάς της στις κινήσεις των άστρων και των γαλαξιών – έχουν εξαλειφθεί ανεκπλήρωτος.

Αυτές οι προσπάθειες βασίστηκαν στην ελπίδα ότι η σκοτεινή ύλη έχει τουλάχιστον κάποια άλλη αλληλεπίδραση με τη συνηθισμένη ύλη εκτός από τη βαρύτητα (SN: 25/10/16). Αλλά ένα προτεινόμενο πείραμα που ονομάζεται Windchime, αν και δεκαετίες από την πραγματοποίησή του, θα δοκιμάσει κάτι νέο: Θα αναζητήσει τη σκοτεινή ύλη χρησιμοποιώντας τη μόνη δύναμη που είναι εγγυημένα να αισθάνεται – τη βαρύτητα.

«Η βασική ιδέα είναι εξαιρετικά απλή», λέει ο θεωρητικός φυσικός Daniel Carney, ο οποίος περιέγραψε το σχέδιο τον Μάιο σε μια συνάντηση του Τμήματος Ατομικής Μοριακής και Οπτικής Φυσικής της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας στο Ορλάντο της Φλόριντα. ένα αεράκι, θα έκανε ο ανιχνευτής Windchime προσπαθήστε να αισθανθείτε μια σκοτεινή ύλη «άνεμοςφυσώντας δίπλα από τη Γη καθώς το ηλιακό σύστημα κτυπά γύρω από τον γαλαξία.

Εάν ο Γαλαξίας είναι ως επί το πλείστον ένα σύννεφο σκοτεινής ύλης, όπως υποδεικνύουν οι αστρονομικές μετρήσεις, τότε θα πρέπει να πλέουμε μέσω αυτού με περίπου 200 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Αυτό δημιουργεί έναν άνεμο σκοτεινής ύλης, για τον ίδιο λόγο που αισθάνεστε έναν άνεμο όταν βγάζετε το χέρι σας έξω από το παράθυρο ενός κινούμενου αυτοκινήτου.

Ο ανιχνευτής Windchime βασίζεται στην ιδέα ότι μια συλλογή εκκρεμών θα αιωρείται με ένα αεράκι. Στην περίπτωση των κουδουνισμάτων στην πίσω αυλή, μπορεί να είναι μεταλλικές ράβδοι ή κρεμαστές καμπάνες που κουδουνίζουν στον κινούμενο αέρα. Για τον ανιχνευτή σκοτεινής ύλης, τα εκκρεμή είναι συστοιχίες λεπτών, υπερευαίσθητων ανιχνευτών που θα ταραχτούν από τις βαρυτικές δυνάμεις που αισθάνονται από τη διέλευση κομματιών της σκοτεινής ύλης. Αντί τα μόρια του αέρα να αναπηδούν από μεταλλικούς ήχους, η βαρυτική έλξη των σωματιδίων που συνθέτουν τον άνεμο της σκοτεινής ύλης θα προκαλούσε διακριτικούς κυματισμούς καθώς φυσά μέσα από ένα δισεκατομμύριο περίπου αισθητήρες σε ένα κουτί μεγέθους περίπου ενός μέτρου ανά πλευρά.

απεικόνιση πέντε σειρών εκκρεμών που αντιπροσωπεύουν τη ρύθμιση του ανιχνευτή Windchime
Μέσα στον ανιχνευτή Windchime (που απεικονίζεται ως μια συστοιχία μικρών εκκρεμών), ένα διερχόμενο σωματίδιο σκοτεινής ύλης (κόκκινη κουκκίδα) θα τραβούσε βαρυτικά τους αισθητήρες (μπλε τετράγωνα) και θα προκαλούσε έναν ανιχνεύσιμο κυματισμό, όπως ο άνεμος που φυσά μέσα από έναν άνεμο της αυλής.D. Carney et al/Φυσική Ανασκόπηση Δ 2020

Αν και μπορεί να φαίνεται λογικό να ψάχνουμε για σκοτεινή ύλη χρησιμοποιώντας τη βαρύτητα, κανείς δεν το έχει δοκιμάσει τα σχεδόν 40 χρόνια που οι επιστήμονες επιδιώκουν τη σκοτεινή ύλη στο εργαστήριο. Αυτό συμβαίνει επειδή η βαρύτητα είναι, συγκριτικά, μια πολύ ασθενής δύναμη και είναι δύσκολο να απομονωθεί σε πειράματα.

«Ψάχνετε για τη σκοτεινή ύλη για να [cause] ένα βαρυτικό σήμα στον αισθητήρα», λέει ο Carney, του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια. «Και απλά ρωτάς . . . Θα μπορούσα να δω αυτό το βαρυτικό σήμα; Όταν κάνετε για πρώτη φορά την εκτίμηση, η απάντηση είναι όχι. Στην πραγματικότητα θα είναι απίστευτα δύσκολο».

Αυτό δεν εμπόδισε τον Carney και μια μικρή ομάδα συναδέλφων εξερευνώντας την ιδέα ούτως ή άλλως το 2020. «Πριν από τριάντα χρόνια, θα ήταν εντελώς τρελό να το προτείνω», λέει. «Είναι ακόμα λίγο τρελός, αλλά είναι σαν οριακή παραφροσύνη».

Η συνεργασία του Windchime Project έχει από τότε αυξηθεί και περιλαμβάνει 20 φυσικούς. Έχουν ένα πρωτότυπο Windchime κατασκευασμένο από εμπορικά επιταχυνσιόμετρα και το χρησιμοποιούν για να αναπτύξουν το λογισμικό και την ανάλυση που θα οδηγήσει στην τελική έκδοση του ανιχνευτή, αλλά απέχει πολύ από τον απόλυτο σχεδιασμό. Ο Carney εκτιμά ότι μπορεί να χρειαστούν άλλες μερικές δεκαετίες για να αναπτυχθούν αισθητήρες αρκετά καλοί για τη μέτρηση της βαρύτητας ακόμη και από τη βαριά σκοτεινή ύλη.

Ο Carney βασίζει το χρονοδιάγραμμα στην ανάπτυξη του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ, ή LIGO, το οποίο σχεδιάστηκε για να αναζητήσει βαρυτικούς κυματισμούς που προέρχονται από σύγκρουση μαύρων τρυπών (SN: 2/11/16). Όταν το LIGO δημιουργήθηκε για πρώτη φορά, λέει, ήταν σαφές ότι η τεχνολογία θα έπρεπε να βελτιωθεί κατά εκατό εκατομμύρια φορές. Δεκαετίες ανάπτυξης οδήγησαν σε ένα παρατηρητήριο που βλέπει τον ουρανό σε βαρυτικά κύματα. Με τον Windchime, «είμαστε στην ίδια ακριβώς βάρκα», λέει.

Ακόμη και στην τελική του μορφή, το Windchime θα είναι ευαίσθητο μόνο σε κομμάτια σκοτεινής ύλης που είναι περίπου η μάζα ενός λεπτού σημείου σκόνης. Αυτό είναι τεράστιο στο φάσμα των γνωστών σωματιδίων — περισσότερο από ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια φορές τη μάζα ενός πρωτονίου.

«Υπάρχει μια ποικιλία από πολύ ενδιαφέρουσες υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη [that scale] που σίγουρα αξίζει να αναζητήσετε… συμπεριλαμβανομένων των αρχέγονων μαύρων οπών από το πρώιμο σύμπαν», λέει η Katherine Freese, φυσική στο Πανεπιστήμιο του Michigan στο Ann Arbor που δεν είναι μέρος της συνεργασίας Windchime. Οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται αργά, διαρρέοντας μάζα πίσω στο διάστημα, σημειώνει, κάτι που θα μπορούσε να αφήσει πολλά λείψανα να σχηματιστούν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη στη μάζα που θα μπορούσε να ανιχνεύσει ο Windchime.

Αλλά αν ποτέ δεν ανιχνεύσει τίποτα απολύτως, το πείραμα εξακολουθεί να ξεχωρίζει από άλλα σχήματα ανίχνευσης σκοτεινής ύλης, λέει ο Dan Hooper, ένας φυσικός στο Fermilab στη Batavia, Ill., που επίσης δεν σχετίζεται με το έργο. Αυτό συμβαίνει γιατί θα ήταν το πρώτο πείραμα που θα μπορούσε να αποκλείσει εντελώς ορισμένους τύπους σκοτεινής ύλης.

Ακόμα κι αν το πείραμα δεν καταλήξει σε τίποτα, λέει ο Χούπερ, «το καταπληκτικό [Windchime] … είναι ότι, ανεξάρτητα από οτιδήποτε άλλο γνωρίζετε για τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, δεν βρίσκονται σε αυτό το εύρος μάζας». Με τα υπάρχοντα πειράματα, η αποτυχία ανίχνευσης οτιδήποτε θα μπορούσε να οφείλεται σε λανθασμένες εικασίες σχετικά με τις δυνάμεις που επηρεάζουν τη σκοτεινή ύλη (SN: 7/7/22).

Το Windchime θα είναι το μόνο πείραμα που έχει ακόμη φανταστεί, όπου το να μην βλέπουν τίποτα θα έλεγε οριστικά στους ερευνητές τι δεν είναι η σκοτεινή ύλη. Με λίγη τύχη, όμως, θα μπορούσε να αποκαλύψει έναν άνεμο από μικροσκοπικές μαύρες τρύπες ή ακόμα πιο εξωτικά κομμάτια σκοτεινής ύλης, που περνούν από το παρελθόν καθώς περιπλανιόμαστε στον Γαλαξία μας.

Schreibe einen Kommentar