Η σκοτεινή ύλη, αν και αόρατη, θεωρείται πως αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής μάζας του σύμπαντος. Μία από τις θεωρίες προτείνει ότι η υπερ-ελαφρά σκοτεινή ύλη (ULDM) συμπεριφέρεται σαν ένα συνεχές κύμα, το οποίο μπορεί να ασκεί ρυθμικές δυνάμεις που ανιχνεύονται μόνο με εξαιρετικά ευαίσθητα κβαντικά όργανα.
Μια νέα έρευνα που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters και πραγματοποιήθηκε υπό την καθοδήγηση του φυσικού Christopher Tunnell του Πανεπιστημίου Rice και του μεταδιδακτορικού ερευνητή Dorian Amaral, παρουσιάζει την πρώτη άμεση αναζήτηση υπερ-ελαφράς σκοτεινής ύλης χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικά αιωρούμενο σωματίδιο.
Μαγνητική αιώρηση σε περιβάλλον κοντά στο απόλυτο μηδέν
Η ερευνητική ομάδα, σε συνεργασία με φυσικούς από το Πανεπιστήμιο του Leiden, ανάρτησε έναν μικροσκοπικό μαγνήτη νεοδυμίου μέσα σε υπεραγώγιμο θάλαμο, ψυχόμενο σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Το σύστημα σχεδιάστηκε για να ανιχνεύσει ανεπαίσθητες ταλαντώσεις που θεωρείται ότι προκαλούνται από κύματα σκοτεινής ύλης καθώς διαπερνούν τη Γη.
«Η προσέγγισή μας φέρνει την ανίχνευση σκοτεινής ύλης σε ένα νέο πεδίο», δήλωσε ο Tunnell. «Αιωρώντας έναν μικρό μαγνήτη σε περιβάλλον χωρίς τριβές, του δίνουμε την ελευθερία να κινηθεί αν κάτι τον ωθήσει».
Νέο παράθυρο στη σκοτεινή ύλη
Οι ερευνητές παρακολούθησαν με εξαιρετική ακρίβεια την κίνηση του μαγνήτη, χρησιμοποιώντας αισθητήρες ικανούς να ανιχνεύσουν μετατοπίσεις μικρότερες από το πλάτος ενός ατόμου υδρογόνου. Αν και δεν εντοπίστηκε το αναμενόμενο σήμα, το αποτέλεσμα επέτρεψε στους φυσικούς να αποκλείσουν συγκεκριμένη αλληλεπίδραση μεταξύ σκοτεινής και κανονικής ύλης.
Η αναζήτηση επικεντρώθηκε σε δυνάμεις που σχετίζονται με διαφορές στον βαρυονικό και λεπτονικό αριθμό (B−L), εντός ενός θεωρητικού μοντέλου που προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη επηρεάζει τη συνηθισμένη ύλη μέσω τέτοιων διαφορών. Η ανάλυση εστιάστηκε σε συχνότητες γύρω στα 26,7 Hz, θέτοντας νέα όρια στην ισχύ αυτών των πιθανών αλληλεπιδράσεων.
«Κάθε φορά που δεν βρίσκουμε σκοτεινή ύλη, βελτιώνουμε τον χάρτη», δήλωσε ο Tunnell. «Είναι σαν να ψάχνεις ένα χαμένο κλειδί στο σπίτι—αν δεν το βρεις σε ένα δωμάτιο, ξέρεις ότι πρέπει να ψάξεις αλλού».
Το επόμενο βήμα: Πείραμα «Polonaise»
Με βάση αυτά τα αποτελέσματα, οι ερευνητές προτείνουν ένα νέο πείραμα, με την ονομασία Polonaise, το οποίο θα ενισχύσει την ευαισθησία και θα επεκτείνει το εύρος συχνοτήτων της αναζήτησης. Το όνομα αναφέρεται στον χορό που χόρεψαν οι φυσικοί όταν συναντήθηκαν σε μία περιβαλλοντική διαμαρτυρία, όπου και συνειδητοποίησαν την εφικτότητα αυτής της μέτρησης.
Το νέο σύστημα θα περιλαμβάνει βαρύτερους μαγνήτες, πιο σταθερή αιώρηση και ευρύτερη κάλυψη συχνοτήτων, στοχεύοντας σε περιοχές του θεωρητικού χώρου που οι υπάρχοντες ανιχνευτές δεν μπορούν να προσεγγίσουν.
«Το μελλοντικό μας σύστημα δεν θα “ακούει” απλώς καλύτερα-θα είναι ρυθμισμένο να ακούει πράγματα που ποτέ δεν προσπαθήσαμε να ακούσουμε», εξήγησε ο Tunnell.
Ο Amaral, που πέρσι συνεργάστηκε με τον καθηγητή Mustafa Amin για να διαμορφώσουν τις θεωρητικές βάσεις της μέτρησης, υπογράμμισε τη σημασία του νέου αυτού πειραματικού εργαλείου.
«Δεν δοκιμάζουμε απλώς μια θεωρία-χτίζουμε τα θεμέλια για μια ολόκληρη κατηγορία μετρήσεων», δήλωσε. «Η μαγνητική αιώρηση μας δίνει ένα θεμελιωδώς νέο εργαλείο για να κάνουμε μεγάλα ερωτήματα στο σύμπαν».
Δύναμη συγκρίσιμη με το βάρος ενός ιού
Η πλατφόρμα αιώρησης που ανέπτυξαν έχει ευαισθησία σε δυνάμεις συγκρίσιμες με το βάρος ενός και μόνο ιού, κάτι που ανοίγει νέους ορίζοντες για την ανίχνευση ασθενών, μακρόβιων δυνάμεων. Στην ερευνητική ομάδα συμμετείχαν επίσης οι συνεργάτες Dennis Uitenbroek και Tjerk Oosterkamp από το Πανεπιστήμιο του Leiden.
