Temná hmota je jedním z nejméně pochopených aspektů fyziky. Důkaz pro temnou hmotu pochází z jejího gravitačního vlivu na galaktické měřítko, který nelze vysvětlit přítomností konvenční hmoty. Navzdory velkým gravitačním interakcím je notoricky obtížné dozvědět se o temné hmotě, protože neinteraguje s elektromagnetickými poli, odtud název „ temný ' hmota.
Ale to, že je obtížné přimět jej k interakci s čímkoli v elektromagnetickém spektru, neznamená, že je nemožné detekovat další slabé interakce, které může mít. Tým teoretických fyziků z Caltech nedávno navrhli nový typ experimentu, který může být klíčem k pochopení temné hmoty se specifickými typy interakcí.
Tým vede Dr. Kathryn Žurek , specialistka na fyziku temné hmoty, která většinu své kariéry aktivně pracuje na metodách přímé detekce temné hmoty. Jedna současná výzkumná cesta, kterou skupina sleduje, využívá speciální druh kolektivní vzrušení známý jako a magnon .
Obrázek znázorňující navrhovanou interakci mezi částicí temné hmoty a magnonem.
Kredit: Caltech / Zhengkang Zhang
Magnony vznikají pouze ve strukturách krystalové mřížky a konkrétně pouze v těch, které vykazují „magnetický řád“. Magnony lze považovat za kolektivní akci elektronu se točí v krystalové struktuře. Ve specifických typech krystalů se tyto elektrony spontánně seřadí, aby vytvořily vzory (známé jako magnetický řád) a začnou působit vzájemně nezávisle, což vede k tomu, co je ve fyzice pevných látek známé jako magnon.
Tanner Trickle, postgraduální student ve skupině Dr. Zurek a spoluautor článku popisujícího experiment, popisuje způsob, jakým se magnony tvoří v krystalové mřížce, jako vlnu v oceánu. Pohyb vlny je způsoben oscilacemi jejích složek, molekul vody, stejně jako pohyb Magnons je způsoben oscilacemi rotací elektronů v krystalu.
Vzorek yttriového železného granátu, materiálu navrženého pro použití v experimentu.
Kredit: Krizu na německé Wikipedii, CC BY-SA 3.0
V článku fyzici Caltechu navrhují použití yttriového železného granátu (nebo YIG zkráceně) k hledání magnonových signálů produkovaných průchodem částic temné hmoty. Podle pana Trickla má tato volba dvojí důvod. Za prvé, fyzikální vlastnosti YIG jsou dobře pochopeny, takže modelování toho, co by se mohlo stát, když temná hmota interaguje s krystalem za účelem vytvoření magnonu, je snadněji předvídatelné. Kromě toho je YIG sám o sobě relativně levný, protože je široce používán v řadě elektromagnetických aplikací, včetně současného nejmodernějšího výzkumu temné hmoty.
Experiment je zatím popsán pouze teoreticky. Dr. Zhengkang Zhang, postdoktorand a další spoluautor článku, zmiňuje, že vybudování těchto experimentů a zahájení sběru dat může trvat roky nebo dokonce desetiletí. Tak dlouhá časová osa je způsobena především problémy měření, zejména dvěma problémy.
První je citlivost měření. Všechno od defektů ve struktuře krystalové mřížky YIG až po procházející kosmické záření může ovlivnit jakákoli měření experimentu. To je primárně důvod, proč současné experimenty s temnou hmotou, jako např XENON1T , jsou umístěny hluboko pod zemí, aby bylo možné izolovat jakékoli potenciální rušení způsobující hluk.
Obrázek fotonásobičových trubicových senzorů použitých v experimentu XENON100, předchůdci experimentu detekce temné hmoty XENON1T.
Kredit: uživatel Wikipedie Jpienaar13 – Vlastní práce, CC BY-SA 4.0,
Druhým je, jak vlastně detekovat samotný magnon, který vzniká interakcí temné hmoty. Senzory pro monitorování těchto druhů interakcí v současné době velmi chybí. Existuje určitá pravděpodobnost, že by se magnon mohl rozpadnout na to, co je známé jako a fonon , které lze z hlediska částicové fyziky považovat za teplo a lze jej detekovat pomocí ultracitlivého „teploměru“. Tým však doufá, že prozkoumá experimentální možnosti, které využívají více nových způsobů k detekci interakce magnonu, a zejména interakce jednoho magnonu.
Skupina Zurek velmi úzce spolupracuje v prostoru mezi teorií a experimentem a již začala oslovovat potenciální kontakty ohledně toho, jak přesně realizovat teoretický experiment. Nicméně, pokud a až bude nakonec postaven, bude pravděpodobně postaven mnohem vícekrát než jen jednou. Je tomu tak proto, že dvě hlavní výhody tohoto teoretického způsobu použití magnonů k detekci temné hmoty jsou skutečnost, že je levný a flexibilní.
Jak již bylo zmíněno výše, YIG, primární materiál použitý v experimentu je relativně levný a k dokončení experimentu ho není potřeba mnoho, takže jej lze provozovat spíše na pracovním stole než ve velkém urychlovači částic nebo hluboko pod zemí. Citlivost přístrojů a jakékoli potenciální odšumovací zařízení bude pravděpodobně nejdražší součástí jakéhokoli experimentálního uspořádání a může být potenciálně relativně snadno reprodukováno, jakmile bude poprvé vyvinuto.
Krátké video popisující základy magnonů ve fyzice.
Kredit: Phystronics_AJ Youtube Channel
Možná budou muset být reprodukovány, protože samotný experiment lze připravit nesčetnými různými způsoby. Mnoho potenciálních změn by umožnilo experimentu otestovat mnoho různých typů teorií týkajících se interakce temné hmoty. Existuje také mnoho různých krystalových materiálů, které mohou hostit magnony, což může vést k dalším potenciálním interakcím, které odlomí některé z tajemství temné hmoty.
Pochopení části této záhady je ve skutečnosti to, o co se navrhovaný experiment pokouší. O temné hmotě je stále tak málo známo, že existuje potenciál pro zásadní průlom v porozumění, pokud experiment dokáže definitivně prokázat, že temná hmota primárně interaguje prostřednictvím magnonů nebo některých jiných typů kolektivního buzení. Pochopení a manipulace s těmito relativně málo pochopenými jevy by mohly začít popisovat některé z „ Skrytý svět “ naznačuje temná hmota.
Hubbleův snímek zobrazující slabou záři temné hmoty obklopující kupu galaxií.
Poděkování: NASA, ESA, M.J. Jee a H. Ford (JHU)
A zatímco skutečná experimentální stavba může být vzdálena roky, způsob, jakým věda, a zejména teoretická fyzika, postupuje prostřednictvím shromažďování myšlenek. Možná skutečnost, že tento typ experimentu je relativně levný, může přilákat správný druh financování, aby mohla být teorie uvedena do praxe. Ale dokud se tak nestane, fyzici budou muset pokračovat v odbourávání porozumění temné hmotě pomocí jakýchkoli nástrojů, které mají k dispozici.
Další informace:
Caltech: Tisková zpráva
Caltech / UC Berkley: Původní papír
Symmetry Magazine: Článek popisující další práci Zurek Group