Międzynarodowy zespół badaczy z King’s College London, Uniwersytetu Harvarda, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i innych instytucji opracował przełomową metodę wykrywania ciemnej materii, która może przyczynić się do rozwiązania jednej z największych tajemnic fizyki współczesnej w ciągu najbliższych 15 lat. Wnioski z przeprowadzonych przez nich badań, opublikowane w periodyku Nature, szczegółowo opisują rozwój tego, co może stać się najdokładniejszym jak dotąd detektorem ciemnej materii.
Uważa się, że ciemna materia stanowi aż 85% całkowitej masy wszechświata. Pomimo kluczowej roli, jaką odgrywa w strukturze kosmosu i efektach grawitacyjnych, jej dokładna natura pozostaje nieznana. Jednym z najbardziej obiecujących kandydatów do wyjaśnienia ciemnej materii jest aksjon — teoretyczna, ultralekka cząstka, która bardzo słabo oddziałuje ze zwykłą materią.
Naukowcy podejrzewają, że aksjony zachowują się jak fale i posiadają częstotliwości mieszczące się w spektrum elektromagnetycznym, od niskich poziomów kiloherców (słyszalnych dla ludzkiego ucha) do ultrawysokich częstotliwości terahercowych. Jednak dokładny punkt na tym spektrum, w którym znajdują się aksjony, jak na razie jest nieznany.
W swoich najnowszych badaniach zespół opisuje nowy typ detektora, nieoficjalnie nazywany „kosmicznym radiem samochodowym”. Detektor ten jest przeznaczony do skanowania częstotliwości elektromagnetycznych w poszukiwaniu aksjonów.
Kluczowym elementem tego urządzenia jest kwazicząstka aksjonu (AQ), która została zaprojektowana tak, aby rezonować z tą samą częstotliwością, co aksjon. Po ustawieniu się na właściwej częstotliwości AQ wyemituje słabe sygnały świetlne, potwierdzając wykrycie cząsteczki ciemnej materii.
AQ działa na skrajnym końcu zakresu terahercowego – obszarze, który wielu fizyków uważa za najbardziej obiecujący pod kątem wykrywania aksjonów. Zdaniem dr. Davida Marsha z King’s College London i jednego ze współautorów badania, koncepcję tę można porównać do dostrajania radia samochodowego do różnych stacji aż do znalezienia tej właściwej. Fizyk podkreśla, że niezbędna technologia już istnieje; Pozostaje jedynie zwiększyć skalę projektu i cierpliwie czekać dokładnie skanując kolejne częstotliwości.
Podstawą tej innowacji jest tellurek manganowo-bizmutowy (MnBi₂Te₄), materiał znany ze swoich wyjątkowych właściwości elektronicznych i magnetycznych. Redukując go do zaledwie kilku warstw atomowych ułożonych jedna na drugiej, naukowcy stworzyli niezwykle czułą strukturę zdolną do oddziaływania ze zjawiskami kwantowymi, takimi jak aksjony.
Naukowcy mogą skonstruować działający detektor w ciągu pięciu lat. Następnie potrzeba będzie dziesięciu lat skanowania, aby objąć zakres wysokich częstotliwości, w którym najprawdopodobniej znajduje się ciemna materia.
Źródło: 1