Μικρό σιντριβάνι ατόμων πυροδοτεί μεγάλες γνώσεις για τη σκοτεινή ενέργεια

Είναι μια μελέτη σε αντιθέσεις. Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι φυσικοί προβληματίζονται για τη σκοτεινή ενέργεια, το μυστηριώδες υλικό που διαλύει το διάστημα και έχει εντοπιστεί μόνο με τη μελέτη του σύμπαντος στη μεγαλύτερη κλίμακα. Τώρα, οι ερευνητές έχουν διερευνήσει τις ιδιότητές του χρησιμοποιώντας περίπου τα μικρότερα διαθέσιμα εργαλεία—άτομα που πέφτουν ελεύθερα σε έναν θάλαμο κενού. Το πείραμα, που αναφέρθηκε σήμερα στο Science , δεν  αποκαλύπτει τι είναι η σκοτεινή ενέργεια, αλλά βοηθάει να ξεκαθαρίσουμε αυτό που δεν είναι. Συγκεκριμένα, περιορίζει τις προοπτικές για μια δημοφιλή ιδέα:ότι η σκοτεινή ενέργεια βρίσκεται σε υποθετικά "σωματίδια χαμαιλέοντα" που κρύβονται σε κοινή θέα.

«Βρίσκω συναρπαστικό να μπορώ να χρησιμοποιώ πειράματα εργαστηριακής κλίμακας για να δοκιμάσω τέτοιες ιδέες», λέει ο Amol Upadhye, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Η δοκιμή δεν αποκλείει εντελώς τους χαμαιλέοντες, λέει, αλλά μελλοντικές βελτιώσεις μπορεί να θέσουν την ιδέα στην απόλυτη δοκιμασία.

Η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας συγκλόνισε τη φυσική και την κοσμολογία. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιβραδύνθηκε, καθώς οι γαλαξίες τραβούσαν ο ένας τον άλλον με τη βαρύτητά τους και εξουδετέρωσαν τη διαστολή που ξεκίνησε με τη Μεγάλη Έκρηξη. Ωστόσο, το 1998, δύο ομάδες κοσμολόγων έδειξαν ότι στην πραγματικότητα η διαστολή επιταχύνεται μελετώντας αστρικές εκρήξεις που ονομάζονται σουπερνόβα. Το αποτέλεσμα ενισχύθηκε από τις αναλύσεις των σμηνών γαλαξιών, τη λάμψη της μεγάλης έκρηξης (το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο) και άλλα κοσμολογικά φαινόμενα. Οι φυσικοί αποδίδουν την επιτάχυνση σε κάποιο είδος σκοτεινής ενέργειας που εκτείνεται στο διάστημα.

Τι είναι όμως η σκοτεινή ενέργεια; Υπάρχουν δύο πιθανότητες. Θα μπορούσε να είναι ενέργεια που κρύβεται στο ίδιο το κενό του κενού χώρου - μια κοσμολογική σταθερά, όπως υπέθεσε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1917. Ή θα μπορούσε να είναι ένα κβαντικό πεδίο που γεμίζει χώρο και το ανατινάζει σαν μπαλόνι. Και οι δύο εναλλακτικές έχουν προβλήματα. Δεδομένου του καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, οι θεωρητικοί μπορούν να υπολογίσουν ποια θα πρέπει να είναι η κοσμολογική σταθερά και παίρνουν μια τιμή πολύ μεγάλη για να εξηγήσουν τη σχετικά μέτρια επιτάχυνση - προτείνοντας κάποια άγνωστη φυσική απλώς την μηδενίζει. Από την άλλη πλευρά, η παρουσία ενός κβαντικού πεδίου θα επηρέαζε πράγματα όπως τις τροχιές των πλανητών στο ηλιακό σύστημα—αλλά η σκοτεινή ενέργεια δεν φαίνεται να το κάνει.

Εκεί μπαίνουν τα σωματίδια χαμαιλέοντα. Τα υποθετικά σωματίδια θα αποτελούσαν ακριβώς ένα τέτοιο κβαντικό πεδίο, αλλά θα αλληλεπιδρούσαν με την ύλη με τρόπο που θα έκανε το πεδίο να εξαφανιστεί όπου η πυκνότητα της ύλης ήταν υψηλή. Έτσι το πεδίο δεν θα ασκούσε αξιοσημείωτη επίδραση σε πράγματα όπως οι πλανήτες. «Ο χαμαιλέοντας, όπως και πολλές άλλες θεωρητικές ιδέες, έχει μικρή πιθανότητα να είναι εκεί», λέει ο Τζάστιν Χούρι, θεωρητικός κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και συν-εφευρέτης της ιδέας. "Παρόλα αυτά θα πρέπει να το δοκιμάσουμε αν μπορούμε."

Αυτό ακριβώς έχουν κάνει ο Khoury, ο Holger Müller, ένας ατομικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και οι συνεργάτες του. Για να αναζητήσουν ένα πεδίο χαμαιλέοντα, μελέτησαν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ μιας σφαίρας αλουμινίου διαμέτρου 9,5 χιλιοστών και μιας εισπνοής 10 εκατομμυρίων υπερψυχρού ατόμων καισίου μέσα σε έναν θάλαμο κενού. Αν υπήρχε ένα πεδίο χαμαιλέοντα μέσα στο κενό, τότε η σφαίρα θα το συνθλίβει. Και όπως μια μπάλα μπόουλινγκ σε ένα τραμπολίνο, η σφαίρα θα λυγίσει το γήπεδο ακριβώς έξω από την επιφάνειά της, προκαλώντας τη μείωση της δύναμης του γηπέδου στο μηδέν. Το νέφος των ατόμων θα γλιστρούσε κάτω από το κεκλιμένο πεδίο, αντιμετωπίζοντας μια δύναμη μικρής εμβέλειας προς τη σφαίρα. Το κρίσιμο είναι ότι το ίδιο το σύννεφο δεν ήταν αρκετά πυκνό για να καταστείλει το πεδίο και να χαλάσει το αποτέλεσμα. «Με τους απλούστερους όρους, αναζητούμε μια αστεία δύναμη μεταξύ της σφαίρας και των ατόμων», λέει ο Müller.

Αυτή η δύναμη θα ερχόταν επιπλέον της έλξης της βαρύτητας της Γης. Έτσι, οι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα σε δύο διαφορετικές διαμορφώσεις. Σε ένα, έριξαν τα άτομα από 8,8 χιλιοστά πάνω από τη σφαίρα, αρκετά κοντά ώστε το κεκλιμένο πεδίο του χαμαιλέοντα να ασκήσει δύναμη. Χρησιμοποίησαν μια εξαιρετικά ευαίσθητη τεχνική που ονομάζεται συμβολομετρία ατόμων για να μετρήσουν την επιτάχυνση των ατόμων καισίου καθώς έπεφταν για περίπου 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου (βλ. σχήμα). Στην άλλη διαμόρφωση, έριξαν τα άτομα καλά στην πλευρά της σφαίρας, όπου το πεδίο του χαμαιλέοντα θα έπρεπε να ήταν ομοιόμορφο και να μην παρήγαγε δύναμη. Έτσι, αν υπήρχε πεδίο χαμαιλέοντα, τα άτομα θα επιταχύνονταν προς τα κάτω πιο γρήγορα όταν έπεφταν πάνω από τη σφαίρα. Στην πραγματικότητα, και στις δύο διαμορφώσεις, τα άτομα επιταχύνθηκαν με τον ίδιο ρυθμό με ακρίβεια 1 μέρος στο 1 εκατομμύριο.

Περιέργως, ούτε ο Müller ούτε ο Khoury σκέφτηκαν το πείραμα. Αντίθετα, προτάθηκε από την Clare Burrage και τον Edmund Copeland του Πανεπιστημίου του Nottingham στο Ηνωμένο Βασίλειο και τον Edward Hinds του Imperial College του Λονδίνου, σε μια εργασία που δημοσίευσαν στον preprint server arXiv πριν από ένα χρόνο. "Φυσικά απογοητεύτηκα που το έκαναν πριν από εμάς", λέει ο Hinds, "αλλά είχαν ήδη μια κατάλληλη συσκευή, ενώ έπρεπε να φτιάξουμε ένα πείραμα ειδικά για το σκοπό αυτό."

Με την τρέχουσα ακρίβειά του, το πείραμα αποκλείει μόνο χαμαιλέοντες των οποίων η αλληλεπίδραση με την ύλη - αυτό που κάνει το πεδίο να απομακρύνεται όπου η πυκνότητα της ύλης είναι υψηλή - είναι πολύ ισχυρότερη από τη βαρύτητα, λέει ο Khoury. Εκείνα που αλληλεπιδρούν με την ύλη πιο αδύναμα εξακολουθούν να είναι βιώσιμα, λέει. Ο Müller λέει ότι η ομάδα του στοχεύει να βελτιώσει την ακρίβεια του πειράματός τους σε 1 μέρος στο 1 δισεκατομμύριο, κάτι που θα πρέπει να βάλει τον χαμαιλέοντα στην απόλυτη δοκιμασία. Ο Hinds προσπαθεί να νικήσει τον Müller σε αυτόν τον στόχο. Και ακόμη κι αν πεθάνει η έννοια του χαμαιλέοντα, υπάρχουν άλλοι τρόποι για να κρύψετε ένα κβαντικό πεδίο που θα παράγει σκοτεινή ενέργεια.