Ο ανιχνευτής που έχει σχεδιαστεί για βαρυτικά κύματα αναζητά σήμα από τη σκοτεινή ύλη

Σε ένα κατόρθωμα επιστημονικού επαναπροσδιορισμού, μια ομάδα φυσικών χρησιμοποίησε έναν ανιχνευτή που έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύει βαρυτικά κύματα - φευγαλέους κυματισμούς στο χώρο και στο χρόνο που προκαλούνται, για παράδειγμα, από τις συγκρούσεις δύο μαύρων τρυπών - για να αναζητήσουν κάτι ακόμα πιο άπιαστο, σκοτεινό ύλη. Αν και οι ερευνητές δεν βρήκαν κανένα σημάδι των συγκεκριμένων υποθετικών σωματιδίων που αναζήτησαν, το πείραμα υπογραμμίζει την εμφάνιση ενός νέου συνόρων —και ενός νέου εργαλείου— στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, το μυστηριώδες υλικό που πιστεύεται ότι αποτελεί το 80% της ύλης στο σύμπαν .

«Είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα για το πώς μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν υπάρχοντα ανιχνευτή για δευτερεύοντα σκοπό», λέει ο Daniel Carney, επιστήμονας κβαντικών πληροφοριών στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Η Nancy Aggarwal, φυσική βαρυτικών κυμάτων στο Πανεπιστήμιο Northwestern, λέει, "Η ιδέα ήταν εκεί έξω εδώ και λίγο καιρό και είναι ωραίο να την βλέπουμε να εφαρμόζεται."

Οι αστροφυσικοί έχουν πολλούς λόγους να πιστεύουν ότι οι γαλαξίες είναι γεμάτοι με σκοτεινή ύλη. Για παράδειγμα, τα αστέρια στους σπειροειδείς γαλαξίες στροβιλίζονται πολύ γρήγορα για να συγκρατηθούν από τη δική τους βαρύτητα, υπονοώντας ότι η βαρύτητα από την αόρατη σκοτεινή ύλη τα χαλιναγωγεί. Αλλά οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν τι είναι στην πραγματικότητα η σκοτεινή ύλη. Για δεκαετίες, πολλοί θεωρητικοί πίστευαν ότι θα μπορούσε να αποτελείται από ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs), τα οποία θα ζύγιζαν περίπου 100 φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο και θα αλληλεπιδρούσαν περιστασιακά με τους ατομικούς πυρήνες μέσω της λεγόμενης ασθενούς δύναμης. Αλλά με τους ολοένα πιο ευαίσθητους ανιχνευτές να αποτυγχάνουν να δουν τα WIMP να αναπηδούν από ατομικούς πυρήνες, οι πειραματιστές αρχίζουν να στοχεύουν άλλα υποθετικά σωματίδια σε υψηλότερες και χαμηλότερες περιοχές μάζας.

Τώρα, οι φυσικοί έχουν αναζητήσει ένα είδος υπερελαφρού σωματιδίου με το GEO600, έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων κοντά στο Ανόβερο της Γερμανίας. «Χρησιμοποιούμε μόνο δεδομένα που έχουν ήδη καταγραφεί», λέει ο Χάρτμουτ Γκρότε, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ και μέλος της συνεργασίας GEO600. «Δεν χρειάστηκε να αγγίξουμε το πείραμα». Ένα κρεβάτι δοκιμής για μεγαλύτερους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, το GEO600 είναι ένα μεγάλο οπτικό όργανο σε σχήμα L που ονομάζεται συμβολόμετρο. Μέσα σε αυτό, ένας ημιανακλαστικός καθρέφτης, ή διαχωριστής δέσμης, στέλνει τη μισή δέσμη λέιζερ κάτω από κάθε βραχίονα μήκους 600 μέτρων του L. Αφού αναπηδήσουν εμπρός και πίσω μεταξύ των κατόπτρων στα άκρα των βραχιόνων, τα κύματα φωτός επιστρέφουν στο ο διαχωριστής δέσμης όπου παρεμβαίνουν. Το αν το φως ρέει έξω από το συμβολόμετρο εξαρτάται από τα σχετικά μήκη των βραχιόνων. Ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα τυπικά θα τεντώσει τους βραχίονες σε διαφορετικές ποσότητες, προκαλώντας την εκτροπή ενός σήματος από τον ανιχνευτή.

Η σκοτεινή ύλη που αποτελείται από εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια που ονομάζονται βαθμωτές θα μπορούσε επίσης να παράγει ένα σήμα σε ένα συμβολόμετρο όπως το GEO600, λέει ο Grote. Τα σωματίδια θα είχαν μάζα μικρότερη από το ένα πεμπτουσιοστό του πρωτονίου, πολύ μικρή για να δημιουργήσουν ένα σήμα αναπηδώντας από έναν πυρήνα. Ωστόσο, για να δημιουργηθούν τα βαρυτικά αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης, τεράστιοι αριθμοί σωματιδίων θα έπρεπε να μπλοκαριστούν σε κάθε κυβικό εκατοστό του διαστήματος. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τέτοια σωματίδια μικρού βάρους δρουν λιγότερο σαν σωματίδια και περισσότερο σαν κύματα, με μήκη κύματος χιλιόμετρα. Ορδές από αυτά που διαπερνούν τη Γη θα πρέπει να σχηματίσουν ένα μεγάλο επικαλυπτόμενο κύμα.

Όταν αυτό το κύμα σκοτεινής ύλης διέρχεται από το συμβολόμετρο, λέει ο Grote, θα μπορούσε να κάνει όλα τα υλικά αντικείμενα στο συμβολόμετρο να διαστέλλονται και να συστέλλονται πολύ ελαφρά. Αν η συσκευή ήταν εντελώς συμμετρική, αυτό το παλμό δεν θα είχε κανένα αποτέλεσμα. Ωστόσο, το φως στον ένα βραχίονα του συμβολόμετρου αντανακλάται από την επιφάνεια του διαχωριστή δέσμης ενώ το φως στον άλλο διέρχεται από αυτόν. Λόγω αυτής της βασικής διαφοράς, καθώς ο ίδιος ο διαχωριστής δέσμης διαστέλλεται και συστέλλεται, ο ανιχνευτής φωτός θα έπαιρνε ένα σήμα. Ενώ ένα βαρυτικό κύμα παράγει ένα βραχύβιο κελάηδημα, λέει ο Grote, το πάντα παρόν κύμα σκοτεινής ύλης θα πρέπει να παράγει ένα σταθερό βουητό σε μια συχνότητα που ορίζεται από τη μάζα των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.

Σε 7 ημερήσιες δόσεις δεδομένων που συλλέχθηκαν για 3 χρόνια, οι ερευνητές είδαν περισσότερα από 1000 σχετικά σταθερά σήματα. Αλλά κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι όλα αυτά οφείλονταν σε δονήσεις και ηλεκτρονικό θόρυβο στον ανιχνευτή - επειδή, για παράδειγμα, η συχνότητα και το πλάτος τους διέφεραν από λειτουργία σε λειτουργία. Επειδή η μάζα του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης θα ήταν σταθερή, το σήμα του θα ήταν σταθερό, λέει ο Γκρότε. Η απουσία βιώσιμου σήματος επέτρεψε στην ομάδα να θέσει όρια στο πόσο έντονα μπορούν να αλληλεπιδράσουν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης με τη συνηθισμένη ύλη, αναφέρουν σήμερα στο Nature .

Λοιπόν, είναι αυτή μια μεγάλη πρόοδος για τον προσδιορισμό της φύσης της σκοτεινής ύλης; Όχι απαραίτητα, λέει ο Carney. Σε σύγκριση με τα WIMP, η θεωρία δεν προσφέρει επιτακτικούς λόγους για τους οποίους θα έπρεπε να υπάρχει η υπερελαφριά βαθμωτή σκοτεινή ύλη, λέει. "Αυτή η [ιδέα] είναι λίγο, "Λοιπόν, αν επιτρέπεται να είναι οτιδήποτε, θα μπορούσε να είναι αυτό."

Ωστόσο, καθώς οι αναζητήσεις WIMP εμφανίζονται κενές, οι φυσικοί διερευνούν περισσότερες επιλογές, λέει ο Aggarwal. «Αυτό είναι ένα νέο παράδειγμα για τη δημιουργία ενός ευρύτερου δικτύου για τη σκοτεινή ύλη», λέει. Ο Grote σημειώνει ότι, χωρίς πολλή φασαρία, οι φυσικοί θα μπορούσαν να τροποποιήσουν τα σχέδια των μελλοντικών ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων για να διασφαλίσουν ότι θα είναι επίσης ευαίσθητοι στην εξαιρετικά ελαφριά σκοτεινή ύλη.