Ważny krok na drodze do poznania tajemnicy ciemnej materii
Międzynarodowy zespół naukowców, w którym uczestniczył prof. Szymon Pustelny z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, opublikował w czasopiśmie „Nature” wyniki badań poświęconych jednej z największych zagadek współczesnej fizyki – ciemnej materii.
Choć badaczom nie udało się jej bezpośrednio wykryć, osiągnięty rezultat ma duże znaczenie naukowe: w warunkach laboratoryjnych udało się uzyskać dokładność pomiarów przewyższającą dotychczasowe ograniczenia wynikające z obserwacji astronomicznych. To ważny krok, który pokazuje, że część fundamentalnych pytań o Wszechświat można dziś badać także na Ziemi.
Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, której nie da się zaobserwować za pomocą teleskopów, ponieważ nie emituje ani nie odbija światła. Jej istnienie wnioskuje się pośrednio – z wpływu grawitacyjnego na ruch galaktyk i struktur kosmicznych. Bez niej nie powstałyby znane nam galaktyki, gwiazdy ani planety. Mimo jej kluczowej roli w kosmosie wciąż nie wiadomo, z czego się składa, dlatego fizycy testują różne modele teoretyczne. Jednym z nich jest hipoteza zakładająca istnienie aksjonów, czyli bardzo lekkich, trudnych do wykrycia cząstek.
Naukowcy zbudowali sieć kwantowych czujników
W najnowszym eksperymencie badacze sprawdzali mniej oczywisty scenariusz, według którego ciemna materia mogłaby tworzyć ogromne struktury rozciągnięte w przestrzeni kosmicznej. Jeśli taka struktura przecinałaby Ziemię podczas jej ruchu przez Drogę Mleczną, powinna wywołać bardzo subtelny, ale jednoczesny sygnał w wielu precyzyjnych detektorach. Aby to zweryfikować, naukowcy zbudowali sieć kwantowych czujników działających jak niezwykle czułe kompasy. Urządzenia rozmieszczono w laboratoriach oddalonych od siebie o ponad 300 kilometrów, co pozwoliło odróżnić rzeczywisty sygnał od lokalnych zakłóceń.
Podczas trwających miesiąc pomiarów nie zaobserwowano oczekiwanego efektu. W nauce taki wynik również ma dużą wartość, ponieważ pozwala odrzucić część hipotez i zawęzić obszar dalszych poszukiwań. W tym przypadku udało się wykluczyć jeden z ważnych modeli opisujących możliwe oddziaływania ciemnej materii z materią zwykłą. Jeszcze ważniejsze jest jednak to, że eksperyment pokazał nowe możliwości badawcze. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych metod filtrowania szumów oraz nowoczesnych czujników kwantowych naukowcy osiągnęli czułość pomiarów nawet kilkadziesiąt razy większą niż ta uzyskiwana wcześniej na podstawie obserwacji kosmicznych, takich jak analiza wybuchu Supernowej 1987A.
Znaczenie tych badań wykracza poza samą próbę wykrycia ciemnej materii. Pokazują one, że precyzyjne eksperymenty laboratoryjne mogą realnie przyspieszyć badania nad podstawowymi prawami fizyki i pomóc w weryfikacji teorii, które do tej pory pozostawały poza zasięgiem bezpośrednich testów. Opracowane technologie mogą znaleźć zastosowanie również w innych dziedzinach fizyki, wymagających ekstremalnie dokładnych pomiarów.
Wyniki pracy wyznaczają kierunek dalszych badań. Zamiast szukać sygnałów w wykluczonym już zakresie parametrów, naukowcy mogą skupić się na nowych obszarach poszukiwań i budowie jeszcze czulszych sieci detektorów. W praktyce oznacza to przybliżenie momentu, w którym uda się odpowiedzieć na jedno z najważniejszych pytań współczesnej nauki – z czego zbudowana jest większość materii we Wszechświecie.
Źródło: Uniwersytet Jagielloński w Krakowie
Czytaj też: Tajemnice narodzin gwiezdnych olbrzymów. Jest przełomowe odkrycie!
Grafika tytułowa: Frantisek Duris / Unsplash
