„Ieškoma kai kurių trapiausių materijos ir energijos gumuliukų, apie kuriuos kada nors svajojo fizikai. Jie tamsesni už naktį, vos svaresni už mintį ir pavadinti skalbinių ploviklio vardu. Tačiau aksionai, kaip jie vadinami, gali sudaro didžiąją dalį mūsų visatos materijos, sudarydamos nematomus galaktikų skeletus ir šviesos grandines, kurios puošia astronomų dangų. Jų egzistavimo patvirtinimas sujauktų kai kurias giliausias gamtos teorijas.
„Beveik 10 metų dirbame paieškos režimu ir bet kurią dieną galime padaryti atradimą“, – sakė Gray Rybka, Vašingtono universiteto fizikas, „Axion Dark Matter eXperiment“ arba ADMX atstovas. Sietle, kuris bando užburti aksionus galingais magnetiniais laukais.
Astronomai taip pat ieško užuominų, kad aksionai egzistuoja, analizuodami, kaip sukasi juodosios skylės, ir kūdikių galaktikų formas, kurias atskleidė Jameso Webbo kosminis teleskopas. Tačiau iki šiol jų niekas nerado.
Sėkmė suteiktų didelę užuominą į vieną didžiausių kosmoso paslapčių: iš ko sudaryta visata?
Ženklai iš dangaus
Astronomai, stebintys žvaigždžių ir galaktikų judėjimą, nenoriai padarė išvadą, kad visatoje yra daug daugiau, nei galima pamatyti tiesiogiai iš teleskopų. Paprastoji medžiaga, sudaranti žvaigždes, planetas, galaktikas ir mus, sudaro tik šeštadalį visatos materijos. Likusi dalis yra vadinamoji tamsioji materija, nematoma ir nuošali, bet turinti pakankamai gravitacijos, kad išlaikytų matomą visatą kartu.
Daugybė dalelių buvo iškeltos kaip kandidatės į tamsiąją medžiagą. Tačiau populiariausios yra tos, kurios užpildo standartinio modelio, geriausio, jei netobulo, žmonijos gamtos modelio ir jį skatinančių jėgų, spragas.
Dešimtmečius mokslininkai savo tamsiosios materijos viltis ir svajones lažina dėl silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių, įžūliai žinomų, kaip WIMP. Aštuntajame dešimtmetyje jie susilaukė palankumo kaip ryškus teorijos, vadinamos supersimetrija, bruožas, sukurtas išspręsti gilias standartinio modelio problemas. WIMP buvo nematomi, sąveikavo su visata daugiausia per gravitaciją ir svėrė šimtus ar net tūkstančius kartų daugiau, nei protonai. Būdami sunkūs subatominėmis svarstyklėmis, jie taip pat buvo lėti, palyginti su šviesos greičiu.
Tokios dalelės buvo kaip tik tai, ko kosmologams reikėjo užpildyti savo visatą.
„WIMP buvo numatytoji prielaida, nes WIMP buvo stebuklas“, - sakė Luna Zagorac, dalelių kosmologė iš Perimetro teorinės fizikos instituto Vaterlo mieste. „Visi nori, kad stebuklas būtų tikras“.
Milijonai dolerių buvo išleisti, kuriant vis didesnius ir tikslesnius detektorius giliai po žeme arba kalnų šlaituose, tikintis rasti WIMP. Tačiau LZ Dark Matter Experiment, galingo didelio hadronų greitintuvo CERN ir kitų detektorių paieškos ir toliau lieka tuščios, o tai rodo, kad nepagaunamos dalelės yra nepasiekiamos eksperimentams, bent jau artimiausioje ateityje.
Galbūt, atėjo laikas planui B, sako kai kurie mokslininkai.
„Atsižvelgiant į tai, kad po dešimtmečių ieškojome tuščiai“, – elektroniniame laiške rašė Jeilio universiteto astrofizikė Priyamvada Natarajan, „atrodo gana natūralu pradėti ieškoti toliau. Aksionai, pridūrė ji, „man atrodo įtikinami kandidatai“.
„Aksionų“ dėklas
Tamsiosios materijos prigimtis buvo pradėta atidžiau tyrinėti, nes mokslininkai daugiau sužinojo apie labai ankstyvą visatą, kai iš Didžiojo sprogimo nuolaužų iškilo pirmosios žvaigždės. Atrodo, kad ankstyviausios galaktikos buvo per didelės, per ryškios, ir jų buvo daugiau, nei prognozavo WIMP pagrįstos teorijos.
Aksionai, jei jie egzistuoja, galėtų pasiūlyti paaiškinimą. Dabartinės teorijos nenumato jų masės, tik tai, kad aksionai beveik nesąveikauja su medžiaga ir juos sunku sugauti.
Pirmą kartą aksionai buvo sukurti 1977 m., kai Kalifornijos universiteto Los Andžele fizikas teoretikas Roberto Peccei ir tuomet Stanfordo universiteto dalelių fizikė Helen Quinn pasiūlė šiek tiek modifikuoti teoriją, kuri valdo stiprias branduolines jėgas. Be kita ko, pakeitimas paaiškintų, kodėl neutronai, neutraliai įkrauti atomo branduolio blokai, nėra elektriškai nukrypę, kaip turėtų būti pagal standartinį modelį.
„Mes susijaudiname bet kada, kai teorija ką nors numato ir ji yra neteisinga“, - sakė daktaras Rybka. "Tai puiki vieta ieškoti naujos fizikos."
Frankas Wilczekas, M.I.T. fizikas teorinis, ir Stevenas Weinbergas iš Teksaso universiteto Ostine savarankiškai suprato, kad Peccei-Quinn modifikacija reiškia naujos dalelės egzistavimą. Daktaras Wilczekas pavadino ją aksionu.
„Prieš kelerius metus mano akį patraukė prekybos centro ekspozicija su ryškiaspalvėmis skalbinių ploviklio, pavadinto Axion, dėžėmis“, – 2016 m. Quanta Magazine esė rašė daktaras Wilczekas. „Man pasirodė, kad „aksionas“ skamba, kaip dalelės pavadinimas ir tikrai turėtų toks būti“.
Daktaras Wilczekas ir kiti taip pat suprato, kad, kaip ir WIMP, tam tikros masės aksionai turi daug tamsiajai medžiagai reikalingų savybių. Jie turėtų sverti vos kelias milijonąsias elektronų voltų – dalelių fizikų pirmenybę teikiančių masės ir energijos vienetų. (Palyginimui, jūsų išmaniajame telefone šokantys elektronai sveria apie pusę milijono elektronų voltų.)
Tačiau teoriškai aksionai ir „į aksionus panašios“ dalelės gali būti bet kokio dydžio ar masės, o tai turi drastiškų padarinių visatai. Įvairios rūšys gali atlikti tamsiosios materijos, jungiančios galaktikas, vaidmenį, iškraipyti kosminį mikrobangų foną, užpildantį erdvę radiacija, likusia po Didžiojo sprogimo, arba netgi prisidėti prie vadinamosios tamsiosios energijos, dėl kurios visata nuolat plečiasi vis greičiau.
Stygų teorija – išgirta ir iki šiol nepatikrinta „visko teorija“ – pilna į aksioną panašių dalelių. Daugiau, nei vienos, rūšies aksionų atradimas gali būti pirmasis eksperimentinis stygų teorijos įrodymas, sakė Stenfordo universiteto fizikas Teorinis Savasas Dimopoulosas.
Medžioklė tamsoje
Tikslas yra tik išsiaiškinti, kaip jį sugauti.
Paieškos nukelia fizikus į subatominę sritį, kur keisti kvantinės mechanikos dėsniai nurodo, kad viskas, įskaitant tamsiąją materiją, egzistuoja ir kaip dalelė, ir kaip banga.
WIMP yra sunkūs, todėl elgiasi kaip nešvankios dalelės, atsimušdamos nuo atomų kaip į stalo teniso kamuoliukus atsitrenkiantys boulingo kamuoliukai. Axionų yra įvairių; tie, kurie galėtų atlikti tamsiosios medžiagos vaidmenį, yra lengvi ir iš esmės veikia, kaip bangos.
Turint tokią mažą masę, aksionai ilgai buvo laikomos nepasiekiamais eksperimentams. Tačiau dėl kvantinių skaičiavimų ir kriogenikos pažangos aksionų paieška tapo labiau įmanoma.
1983 m. Floridos universiteto fizikas Pierre'as Sikivie pasiūlė, kad stipriame magnetiniame lauke aksionas gali virsti fotonu – dalele, kuri skleidžia šviesą. Ši įžvalga padėjo pagrindus tokiems eksperimentams, kaip ADMX.
Šiandien labiausiai žinomas būdas ieškoti aksionų yra naudoti „didžiausią ir blogiausią magnetą, kokį tik galite rasti“, – sakė dr. Rybka. ADMX yra sukurtas aplink superlaidų elektromagnetą, kuris yra 100 000 kartų stipresnis už Žemės magnetinį lauką, apsuptą dideliu variniu kanistru, atšaldytu iki dešimtosios laipsnio virš absoliutaus nulio. Kai tinkamo dydžio ašis prasiskverbia pro šią įmagnetintą ertmę, ji sukuria mikrobangų kaskadą, kuri sukelia kameros rezonavimą.
Dr. Rybka eksperimentą palygino su AM radiju: lėtai sureguliuokite rankenėlę, keisdami skardinės rezonansinį dažnį, ir klausykitės per statinį, kol rasite ieškomą stotį arba dalelę. Mikrobangų dažnis, pasak jo, priklauso nuo aksionų masės.
Tokie eksperimentai kaip ADMX jau nustatė, kad tam tikros masės aksionai neegzistuoja. Tačiau tyrinėti liko labai daug.
„Jei žaidi toje smėlio dėžėje, tai labai smagu žaisti“, – sakė dr. "Bet jei bandote rasti toje smėlio dėžėje įkastą adatą, sėkmės."
Kitaip tariant, eksperimentuotojai turi savo darbą. Tik 2018 m., po daugiau, nei 20, veiklos metų, ADMX komanda paskelbė, kad jos eksperimentas pagaliau buvo pakankamai geras, kad būtų galima pradėti tirti teoriškai perspektyviausias tamsiosios medžiagos aksionų mases.
„Bet kurią dieną galime padaryti atradimą, nes mes tik sulėtiname šio dažnio derinimą“, – neseniai sakė daktaras Rybka.
Prisiderinant prie kosmoso
Kol kas aksionų medžioklė gali apsiriboti laboratorijomis. Tačiau mokslininkai mano, kad vieną dieną jie gali būti aptikti kosmose. „Yra būdas, kuriuo astrofizika gali sukurti šią dalelę ir gali ją pagaminti net jei tai nėra tamsioji medžiaga“, – sakė daktaras Dimopoulosas.
Tam tikro dydžio aksionai gali siurbti energiją iš besisukančių juodųjų skylių, procese, vadinamame superspinduliavimu. Dėl to gali atsirasti tam tikro dydžio juodųjų skylių trūkumas, kurį stebi detektoriai, tokie, kaip lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija.
Neseniai atliktas tyrimas rodo, kad aksionų debesys pulsuojančių žvaigždžių magnetosferose gali virsti mikrobangomis, pavyzdžiui, natūralia, kosmoso ADMX versija. Tada reiškinio skleidžiamus signalus būtų galima išmatuoti, ant žemės esančiais, radijo teleskopais.
Axionus netgi gali sukurti saulė, o jų ieškoma, atliekant tokius eksperimentus, kaip CERN Axion saulės teleskopas Šveicarijoje.
„Mes nežinotume, ar tai tamsioji materija“, – apie saulės aksionus sakė Aaronas Manalaysay, WIMP tyrėjas iš Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos. "Bet mes žinotume, kad visata leidžia šią dalelę."
Kita viliojanti galimybė, vadinama neaiškia tamsiąja medžiaga, pagavo kai kurių kosmologų vaizduotę. Galaktikoje „ultralengvi“ aksionai, kurių bangos ilgis siekia šimtus šviesmečių, gali trukdyti vienas kitam ir palikti mažyčius siūlus ir mazgus matomoje galaktikos dalyje.
Žvaigždės, einančios per šį nelygų erdvėlaikį, pumpuotų energiją į galaktiką, sukeldamos jos ryškumo svyravimus, sakė Kolumbijos universiteto astrofizikas Jeremiahas Ostrikeris. „Man patinka aksionai, nes jie įkaitina žvaigždes“, – sakė jis.
Tačiau iki šiol itin lengvi aksionai neatsiliepė į daktaro Ostrikerio meilę. Jų vis dar trūksta, jų neaiškios savybės per mažos, kad jas būtų galima išspręsti, naudojant šiuolaikinius optinius teleskopus.
Visų šių modelių trūkumas yra prielaida, kad visatoje yra tik vienos rūšies tamsioji medžiaga. Galų gale, kodėl tamsioji visatos pusė turėtų būti mažiau įdomi ar sudėtinga, nei ta, kurią matome?
Taigi kol kas žiuri vis dar nėra, o visata yra plačiai atvira. Daktarė Zagorac nėra tikra, kad per jos gyvenimą bus aptikta aksionų ar bet kokios rūšies tamsiosios medžiagos. „Mums gali pasisekti“, – sakė ji. „Bet iki tol tai yra mano smėlio dėžė, kurioje galiu žaisti.“ [1]
1. Can Axions Save the Universe? Overbye, Dennis; Miller, Katrina. New York Times (Online) New York Times Company. Nov 1, 2024.
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą