Ένα νέο εργαλείο για την εύρεση της σκοτεινής ύλης δεν ανακαλύπτει τίποτα
Ακόμη και τα ισχυρότερα βαρυτικά κύματα που διέρχονται από τον πλανήτη, που δημιουργούνται από τις μακρινές συγκρούσεις μαύρων οπών, τεντώνουν και συμπιέζουν μόνο κάθε μίλι της επιφάνειας της Γης κατά το ένα χιλιοστό της διαμέτρου ενός ατόμου. Είναι δύσκολο να συλλάβουμε πόσο μικροί είναι αυτοί οι κυματισμοί στον ιστό του χωροχρόνου, πόσο μάλλον να τους ανιχνεύσουμε. Αλλά το 2016, αφού οι φυσικοί πέρασαν δεκαετίες για να κατασκευάσουν και να τελειοποιήσουν ένα όργανο που ονομάζεται Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO), πήραν ένα.
Με σχεδόν 100 βαρυτικά κύματα να έχουν καταγραφεί τώρα, το τοπίο των αόρατων μαύρων τρυπών ξεδιπλώνεται. Αλλά αυτό είναι μόνο ένα μέρος της ιστορίας.
Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων καταγράφουν κάποιες πλευρικές συναυλίες.
"Οι άνθρωποι άρχισαν να ρωτούν:"Ίσως υπάρχουν περισσότερα σε αυτό που βγάζουμε από αυτές τις μηχανές από απλά βαρυτικά κύματα;" είπε η Rana Adhikari, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια.
Εμπνευσμένοι από την εξαιρετική ευαισθησία αυτών των ανιχνευτών, οι ερευνητές επινοούν τρόπους για να τους χρησιμοποιήσουν για να αναζητήσουν άλλα άπιαστα φαινόμενα:πάνω από όλα, τη σκοτεινή ύλη, το μη φωτεινό υλικό που συγκρατεί τους γαλαξίες.
Τον Δεκέμβριο, μια ομάδα με επικεφαλής τον Hartmut Grote του Πανεπιστημίου του Κάρντιφ ανέφερε στο Nature ότι είχαν χρησιμοποιήσει έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων για να ψάξουν για σκοτεινή ύλη βαθμωτού πεδίου, έναν λιγότερο γνωστό υποψήφιο για τη μάζα που λείπει μέσα και γύρω από τους γαλαξίες. Η ομάδα δεν βρήκε σήμα, αποκλείοντας μια μεγάλη κατηγορία μοντέλων σκοτεινής ύλης σε βαθμωτό πεδίο. Τώρα το υλικό μπορεί να υπάρξει μόνο εάν επηρεάζει την κανονική ύλη πολύ ασθενώς — τουλάχιστον ένα εκατομμύριο φορές πιο αδύναμα από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως ότι είναι δυνατό.
"Είναι ένα πολύ ωραίο αποτέλεσμα", δήλωσε ο Keith Riles, αστρονόμος βαρυτικών κυμάτων στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που δεν συμμετείχε στην έρευνα.
Μέχρι πριν από λίγα χρόνια, ο κύριος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη ήταν ένα αργά κινούμενο, ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδιο παρόμοιο με άλλα στοιχειώδη σωματίδια - ένα είδος βαρέως νετρίνου. Ωστόσο, οι πειραματικές αναζητήσεις για αυτά τα λεγόμενα WIMP συνεχίζουν να εμφανίζονται με άδεια χέρια, αφήνοντας χώρο για μυριάδες εναλλακτικές λύσεις.
«Έχουμε φτάσει στο στάδιο των αναζητήσεων της σκοτεινής ύλης όπου ψάχνουμε παντού», είπε η Κάθριν Ζούρεκ, θεωρητική φυσικός στο Caltech.
Το 1999, τρεις φυσικοί πρότειναν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από σωματίδια που είναι τόσο ελαφριά και πολυάριθμα που καλύτερα να θεωρηθούν συλλογικά, ως ένα πεδίο ενέργειας που διαπερνά το σύμπαν. Αυτό το "κλιμακωτό πεδίο" έχει μια τιμή σε κάθε σημείο του χώρου και η τιμή ταλαντώνεται με μια χαρακτηριστική συχνότητα.
Η σκοτεινή ύλη σε βαθμωτό πεδίο θα άλλαζε διακριτικά τις ιδιότητες άλλων σωματιδίων και θεμελιωδών δυνάμεων. Η μάζα του ηλεκτρονίου και η ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, για παράδειγμα, θα ταλαντωθούν με το πλάτος ταλάντωσης του βαθμωτού πεδίου.
Για χρόνια, οι φυσικοί αναρωτιόντουσαν αν οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσαν να εντοπίσουν μια τέτοια ταλάντευση. Αυτοί οι ανιχνευτές αντιλαμβάνονται ελαφρές διαταραχές χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση που ονομάζεται συμβολομετρία. Πρώτον, το φως λέιζερ εισέρχεται σε έναν «διαιρέτη δέσμης», ο οποίος διαιρεί το φως, στέλνοντας δέσμες σε δύο κατευθύνσεις σε ορθή γωνία μεταξύ τους, όπως οι βραχίονες ενός L. Οι ακτίνες αντανακλούν τους καθρέφτες στα άκρα και των δύο βραχιόνων και μετά επιστρέφουν στο μεντεσέ του L και ανασυνδυάστε. Εάν οι ακτίνες λέιζερ που επιστρέφουν έχουν ωθηθεί εκτός συγχρονισμού — για παράδειγμα, από ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα, το οποίο επιμηκύνει για λίγο τον ένα βραχίονα του συμβολόμετρου ενώ συστέλλει τον άλλο — σχηματίζεται ένα ξεχωριστό μοτίβο παρεμβολής σκοτεινών και φωτεινών κροσσών.
Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη σε βαθμωτό πεδίο να ωθήσει τις δέσμες εκτός συγχρονισμού και να προκαλέσει μοτίβο παρεμβολής; «Η κοινή σκέψη», είπε ο Γκρότε, ήταν ότι τυχόν παραμορφώσεις θα επηρέαζαν εξίσου και τα δύο χέρια, ακυρώνοντας. Αλλά στη συνέχεια, το 2019, ο Grote είχε μια συνειδητοποίηση. "Ένα πρωί ξύπνησα και μου ήρθε ξαφνικά η ιδέα:Ο διαχωριστής δέσμης είναι ακριβώς αυτό που χρειαζόμαστε."
Ο διαχωριστής δέσμης είναι ένα κομμάτι γυαλιού που λειτουργεί σαν καθρέφτης που διαρρέει, αντανακλώντας, κατά μέσο όρο, το μισό φως που χτυπά στην επιφάνειά του, ενώ το άλλο μισό περνάει από μέσα. Εάν υπάρχει σκοτεινή ύλη με βαθμωτό πεδίο, τότε κάθε φορά που το πεδίο φτάνει στο μέγιστο πλάτος του, η ισχύς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης εξασθενεί. Ο Γκρότε συνειδητοποίησε ότι αυτό θα προκαλούσε τη συρρίκνωση των ατόμων στο γυάλινο τεμάχιο. Όταν το πλάτος του πεδίου πέσει, το γυάλινο μπλοκ θα επεκταθεί. Αυτή η ταλάντευση θα μετατοπίσει διακριτικά την απόσταση που διανύει το ανακλώμενο φως χωρίς να επηρεάσει το εκπεμπόμενο φως. Έτσι, θα εμφανιστεί ένα μοτίβο παρεμβολής.
Με τη βοήθεια υπολογιστών, ο Sander Vermeulen, μεταπτυχιακός φοιτητής του Grote, αναζήτησε δεδομένα από τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων GEO600 στη Γερμανία αναζητώντας μοτίβα παρεμβολής που προκύπτουν από πολλά εκατομμύρια διαφορετικές συχνότητες σκοτεινής ύλης βαθμωτού πεδίου. Δεν είδε τίποτα. "Είναι απογοητευτικό γιατί αν βρείτε τη σκοτεινή ύλη, αυτό θα ήταν η ανακάλυψη δεκαετιών", είπε ο Vermeulen.
Αλλά η αναζήτηση ήταν μόνο «μια εξόρμηση για ψάρεμα», είπε ο Zurek. Η συχνότητα του βαθμωτού πεδίου και η ισχύς της επίδρασής του σε άλλα σωματίδια (και επομένως στον διαχωριστή δέσμης) μπορεί να είναι σχεδόν οτιδήποτε. Το GEO600 εντοπίζει μόνο ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων.
Για το λόγο αυτό, η αποτυχία εύρεσης της σκοτεινής ύλης βαθμωτού πεδίου με τον ανιχνευτή GEO600 δεν αποκλείει την ύπαρξή της. «Είναι περισσότερο μια απόδειξη ότι έχουμε ένα νέο εργαλείο τώρα για να αναζητήσουμε τη σκοτεινή ύλη», είπε ο Γκρότε. «Θα συνεχίσουμε να ψάχνουμε». Σχεδιάζει επίσης να χρησιμοποιήσει συμβολόμετρα για να αναζητήσει axions, έναν άλλο δημοφιλή υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη.
Εν τω μεταξύ, ο Ράιλς και οι συνάδελφοί του έψαχναν για σημάδια «σκοτεινών φωτονίων» σε δεδομένα από το LIGO, το οποίο διαθέτει ανιχνευτές στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα και στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και τον συνεργάτη του, τον ανιχνευτή Virgo κοντά στην Πίζα της Ιταλίας. Τα σκοτεινά φωτόνια είναι υποθετικά σωματίδια που μοιάζουν με φως που θα αλληλεπιδράσουν κυρίως με άλλα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, αλλά περιστασιακά θα χτυπούσαν κανονικά άτομα. Εάν είναι παντού γύρω μας, τότε ανά πάσα στιγμή, θα τύχει να πιέσουν τον έναν καθρέφτη σε ένα συμβολόμετρο περισσότερο από τον άλλο, αλλάζοντας τα σχετικά μήκη των βραχιόνων. «Θα τείνει να υπάρχει μια ανισορροπία προς μία κατεύθυνση, απλώς μια τυχαία διακύμανση», είπε ο Riles. "Οπότε προσπαθείτε να το εκμεταλλευτείτε."
Τα σκοτεινά μήκη κύματος φωτονίων μπορεί να είναι τόσο μεγάλα όσο ο ήλιος, επομένως τυχόν τυχαίες διακυμάνσεις που διαταράσσουν τους καθρέφτες του συμβολόμετρου στο Hanford θα είχαν το ίδιο αποτέλεσμα στον ανιχνευτή Livingston, σχεδόν 5.000 χιλιόμετρα μακριά, και συσχετισμένα αποτελέσματα στην Πίζα. Αλλά οι ερευνητές δεν βρήκαν τέτοιους συσχετισμούς στα δεδομένα. Το αποτέλεσμά τους, που αναφέρθηκε πέρυσι, σημαίνει ότι τα σκοτεινά φωτόνια, εάν είναι πραγματικά, πρέπει να είναι τουλάχιστον 100 φορές ασθενέστερα από ό,τι επιτρεπόταν προηγουμένως.
Ο Adhikari προτείνει ότι οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσαν να βρουν ακόμη και σωματίδια σκοτεινής ύλης «ανθρώπινου μεγέθους» που ζυγίζουν εκατοντάδες κιλά. Καθώς αυτά τα βαριά σωματίδια πετούσαν μέσα από τον ανιχνευτή, θα προσέλκυαν βαρυτικά τους καθρέφτες και τις ακτίνες λέιζερ του LIGO. «Θα έβλεπες ένα μικρό κλείσιμο του ματιού στη δύναμη της δέσμης καθώς το σωματίδιο περνά μέσα», είπε ο Adhikari. "Ολόκληρος ο ανιχνευτής σχήματος L είναι ένα είδος δικτύου που μπορεί να πάρει αυτά τα σωματίδια."
Τι άλλο θα μπορούσαν να πιάσουν αυτά τα ευαίσθητα όργανα; Ο Adhikari αναπτύσσει ένα νέο συμβολόμετρο στο Caltech για να αναζητήσει σημάδια ότι ο χωροχρόνος είναι pixelated, όπως υποθέτουν ορισμένες κβαντικές θεωρίες βαρύτητας. «Αυτό είναι πάντα το όνειρο των φυσικών. Μπορούμε να μετρήσουμε την κβαντική βαρύτητα στο εργαστήριο;» Η συμβατική σοφία υποστηρίζει ότι ένας ανιχνευτής ικανός να ανιχνεύει τόσο μικροσκοπικές αποστάσεις θα ήταν τόσο μεγάλος που θα κατέρρεε σε μια μαύρη τρύπα με το δικό του βάρος. Ο Zurek, ωστόσο, εργάζεται πάνω σε μια ιδέα που θα μπορούσε να κάνει την κβαντική βαρύτητα ανιχνεύσιμη με τη ρύθμιση του Adhikari ή με άλλο πείραμα στο εργαστήριο του Grote στο Κάρντιφ.
Σε άλλες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας, ο χωροχρόνος δεν είναι pixelated. Αντίθετα, είναι ένα τρισδιάστατο ολόγραμμα που αναδύεται από ένα δισδιάστατο σύστημα κβαντικών σωματιδίων. Ο Zurek πιστεύει ότι αυτό, επίσης, μπορεί να είναι ανιχνεύσιμο με ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. Μικρές κβαντικές διακυμάνσεις στον δισδιάστατο χώρο θα ενισχύονταν όταν προβάλλονταν ολογραφικά σε 3D, δημιουργώντας δυνητικά κύματα στο χωροχρόνο αρκετά μεγάλα ώστε να τα ανιχνεύει ένα συμβολόμετρο.
«Όταν ξεκινήσαμε να εργαζόμαστε πάνω σε αυτό, οι άνθρωποι έλεγαν:«Για τι μιλάς; Είσαι τελείως τρελός», είπε ο Zurek. "Τώρα ο κόσμος αρχίζει να ακούει."
