Szukali bąbli w kosmosie. Odkryli niewygodną prawdę o ciemnej materii
Naukowcy sprawdzili hipotezę, która miała wyjaśnić największą zagadkę fizyki, ciemną materię. W tym celu zbudowano specjalne kompasy kwantowe. Eksperyment okazał się ważnym krokiem w drodze do poznania tajemnicy ciemnej materii.
Międzynarodowy zespół fizyków, w skład którego wchodzi prof. Szymon Pustelny z Uniwersytetu Jagiellońskiego, opublikował w prestiżowym Nature wyniki polowania na jedną z największych zagadek Wszechświata. Choć ciemna materia po raz kolejny wymknęła się badaczom, eksperyment przyniósł przełom, którego nikt się nie spodziewał.
Ciemna materia, czyli wielka zagadka
Od wieków ludzkość spogląda w niebo, szukając odpowiedzi na fundamentalne pytania, jednak mimo technologicznego skoku, nasza wiedza o kosmosie wciąż przypomina układankę, w której brakuje większości elementów. Nie wiemy, dlaczego Wszechświat przyspiesza swoje rozszerzanie, ani dlaczego po Wielkim Wybuchu materia ostatecznie wygrała z antymaterią.
Jednak największym problemem współczesnej fizyki pozostaje to, czego nie widać. Wszystko wskazuje na to, że kosmos wypełnia tajemnicza ciemna materia. Choć nie odbija światła i pozostaje niewidoczna dla teleskopów, jest grawitacyjnym rusztowaniem rzeczywistości. Gdyby nie ona, galaktyki, gwiazdy i planety, a w konsekwencji my sami, nigdy by nie powstali.
O ciemnej materii wiemy jednak bardzo niewiele. Nie wiemy np. z czego jest ona zbudowana. Dlatego naukowcy od lat proponują różne hipotezy. Wśród wielu pomysłów, fizycy proponują, że ciemną materię tworzą aksjony, hipotetyczne cząstki miliony razy lżejsze od najlżejszych znanych nam dziś cząstek (tj. neutrin).
Przez ściany niewidzialnych bąbli
W najnowszej publikacji w Nature naukowcy sprawdzali egzotyczną hipotezę istnienia ciemnej materii. Zakłada ona, że ciemna materia nie jest rozsiana równomiernie w kosmosie, lecz tworzy gigantyczne struktury zwane defektami topologicznymi.
Można je sobie wyobrazić jako niewidzialne bąble, przez których ściany (tzw. ściany domenowe) Ziemia przelatuje podczas swojej wędrówki przez Drogę Mleczną. Co ciekawe, jeśli taka ściana istnieje, jej przejście przez naszą planetę powinno wywołać subtelny efekt, który mogłyby wychwycić naziemne czujniki.
Sieć kwantowych kompasów
Aby zweryfikować tę śmiałą hipotezę, polsko-chiński zespół skonstruował sieć niezwykle czułych sensorów. Działają one jak ultraprecyzyjne kompasy kwantowe. Założenie było proste: gdyby Ziemia faktycznie przebijała się przez ścianę ciemnej materii, igły tych kompasów powinny drgnąć jednocześnie, niezależnie od miejsca pomiaru.
Aby wykluczyć przypadek i lokalne zakłócenia, eksperyment przeprowadzono w laboratoriach w Chinach, oddalonych od siebie o ponad 300 km.
Przez miesiąc czujniki nasłuchiwały echa ciemnej materii. Wynik? Cisza. Żaden z sensorów nie zarejestrował poszukiwanego sygnału.
W świecie potocznego rozumienia sukcesu mogłoby się to wydawać porażką. Jednak w fizyce cząstek elementarnych brak wyniku jest często równie cenny, co odkrycie. W tym przypadku negatywny rezultat okazał się spektakularnym triumfem techniki pomiarowej, który redefiniuje nasze możliwości badania kosmosu.
Więcej na Spider's Web:
Pobili rekord Supernowej
Dotychczas granice tego, co wiemy o aksjonach i ich ewentualnym wpływie na materię, wyznaczały gwiazdy. Fizycy opierali swoje wyliczenia na obserwacjach astrofizycznych, w tym na słynnym wybuchu Supernowej 1987A. Zakładano, że jeśli aksjony istnieją, ich oddziaływanie musi być słabsze niż limity wyliczone z tempa stygnięcia gwiazd. Uważano, że na Ziemi nie da się osiągnąć precyzji, która mogłaby konkurować z tymi kosmicznymi laboratoriami.
Zespół z udziałem prof. Szymona Pustelnego udowodnił, że jest inaczej. Dzięki zastosowaniu nowatorskich technik filtrowania szumów, zbliżonych do tych, które pozwoliły detektorom LIGO usłyszeć fale grawitacyjne oraz wykorzystaniu najnowszej generacji czujników kwantowych, badacze osiągnęli precyzję 40-krotnie wyższą niż ta wynikająca z obserwacji astronomicznych.
Drogowskaz dla przyszłych odkrywców
Publikacja w Nature pełni więc rolę niezwykle precyzyjnego drogowskazu. Naukowcy wysłali jasny sygnał do reszty świata fizyki: nie szukajcie ciemnej materii w tym konkretnym miejscu, ten zaułek jest pusty. Słynna falsyfikacja teorii pozwala zaoszczędzić czas i środki, przekierowując uwagę badaczy na inne obszary.
To jednak dopiero początek nowej ery pomiarów. Sukces eksperymentu otwiera drogę do budowy jeszcze czulszych sieci detektorów. Badacze już planują kolejne kroki, mając nadzieję, że wkrótce będą w stanie wychwycić sygnały pochodzące z najbardziej gwałtownych zdarzeń we Wszechświecie, takich jak zderzenia czarnych dziur.
Być może to właśnie tam, dzięki technologii przetestowanej przez zespół prof. Pustelnego, znajdziemy wreszcie odpowiedź na pytanie, z czego składa się większość otaczającej nas rzeczywistości.
