Naukowcy opracowali wydrukowany w 3D system próżniowy do wykrywania ciemnej materii i badania ciemnej energii, wykorzystując ultrazimne atomy litu do identyfikowania ścian domen i potencjalnego wyjaśniania przyspieszającej ekspansji Wszechświata.
Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Nottingham stworzyli wydrukowany w 3D system próżniowy, który wykorzystają w nowym eksperymencie do zmniejszenia gęstości gazu, a następnie dodadzą ultrazimne atomy litu, aby spróbować wykryć ciemne ściany.
Profesor Clare Burrage ze Szkoły Fizyki jest jedną z głównych autorek badania i wyjaśnia: „Zwykła materia, z której zbudowany jest świat, stanowi tylko niewielki ułamek zawartości Wszechświata, około 5%, reszta jest albo ciemna materia lub ciemna energia – widzimy ich wpływ na zachowanie wszechświata, ale nie wiemy, jaki to jest. Jednym ze sposobów pomiaru ciemnej materii jest wprowadzenie cząstki zwanej polem skalarnym.
„Ciemna materia to brakująca masa w galaktykach, ciemna energia może wyjaśnić przyspieszenie ekspansji Wszechświata. Pola skalarne, których szukamy, mogą być albo ciemną materią, albo ciemną energią. Wprowadzając ultrazimne atomy i badając ich skutki, być może będziemy w stanie wyjaśnić, dlaczego ekspansja Wszechświata przyspiesza i czy ma to jakiś wpływ na Ziemię”.
Naukowcy oparli konstrukcję naczyń 3D na teorii, że lekkie pola skalarne o potencjałach podwójnej studni i bezpośrednich sprzężeniach materii podlegają przemianom fazowym sterowanym gęstością, co prowadzi do powstania ścian domen.
Na zdjęciu: Zestaw eksperymentalny: laserowy system fotonowy w laboratorium na Uniwersytecie w Nottingham. Źródło: Uniwersytet w Nottingham
Metodologia i teoria
Profesor Burrage kontynuuje: „W miarę zmniejszania się gęstości powstają defekty – przypomina to sytuację, gdy woda zamarza w lód, cząsteczki wody są przypadkowe, a po zamrożeniu powstaje struktura krystaliczna z cząsteczkami ułożonymi losowo, z których niektóre są ułożone w jedną stronę, a inne inny, co tworzy linie uskoków. Coś podobnego dzieje się w polach skalarnych, gdy gęstość maleje. Nie widać tych linii uskoków gołym okiem, ale jeśli cząstki przez nie przejdą, może to zmienić ich trajektorię. Te defekty to ciemne ściany i mogą potwierdzać teorię pól skalarnych – albo te pola istnieją, albo nie."
Aby wykryć te defekty lub ciemne ściany, zespół stworzył specjalnie zaprojektowaną próżnię, którą wykorzysta w nowym eksperymencie imitującym przejście z gęstego środowiska do mniej gęstego środowiska. Korzystając z nowego układu, będą schładzać atomy litu za pomocą fotonów lasera do -273, czyli blisko zera absolutnego. W tej temperaturze nabierają one właściwości kwantowych, co czyni analizę bardziej precyzyjną i przewidywalną.
Lucia Hackermueller, profesor nadzwyczajny w Szkole Fizyki, kierowała projektowaniem eksperymentu laboratoryjnego, wyjaśnia: „Wydrukowane w 3D naczynia, których używamy jako komory próżniowej, zostały skonstruowane na podstawie teoretycznych obliczeń Dark Walls. Stworzyło to coś, co uważaliśmy za idealny kształt, strukturę i teksturę do uwięzienia ciemnej materii. Aby skutecznie wykazać, że ciemne ściany zostały uwięzione, przepuścimy przez nie chmurę zimnych atomów. Następnie chmura zostanie odbita. Aby schłodzić te atomy, wystrzeliwujemy w stronę atomów fotony laserowe, co zmniejsza energię w atomów – to jakby spowalniać słonia za pomocą śnieżek!”
Na ilustracji: Szacowany udział ciemnej energii i ciemnej materii w energii Wszechświata: 68,3% to ciemna energia, 26,8% to ciemna materia, 4,9% to zwykła materia – międzygalaktyczny gaz oraz gwiazdy. Źródło: Wikipedia
Budowa systemu zajęła zespołowi trzy lata i spodziewają się, że wyniki będą widoczne w ciągu roku.
Dr Hackermueller dodaje: „Bez względu na to, czy udowodnimy istnienie ciemnych ścian, czy nie, będzie to ważny krok naprzód w naszym rozumieniu ciemnej energii i ciemnej materii oraz doskonały przykład tego, jak można zaprojektować dobrze kontrolowany eksperyment laboratoryjny do bezpośredniego pomiaru efektów, które są istotne dla Wszechświata i w inny sposób nie można ich zaobserwować.”
Więcej informacji: publikacja “Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments”, Kate Clements, Benjamin Elder, Lucia Hackermueller, Mark Fromhold i Clare Burrage, Physical Review D. (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.123023
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Symulacji ewolucji ciemnej materii we wszechświecie. Źródło: Symulacja Milenium-II
