Ciemna energia nie jest potrzebna?
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Ciekawostki
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Doktor Agnieszka Dziurda z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN stoi na czele międzynarodowego zespołu naukowego, który w CERN prowadzi badania nad oscylacjami cząstek pomiędzy światem materii i antymaterii. Co prawda materia i antymateria wydają się swoimi przeciwieństwami, jednak istnieją cząstki, które raz zachowują się jak należące do świata materii, a raz antymaterii. Grupa doktor Dziurdy zmierzyła właśnie ekstremalne tempo oscylacji takich cząstek.
Naukowcy wzięli na warsztat mezony Bs0 i za pomocą detektora LHCb z niespotykaną dotychczas dokładnością zbadali ich oscylacje. Nie byli pierwszymi, którzy podjęli się tego zadania. Już w 2006 roku w amerykańskim Fermilab mierzono to zjawisko. Nam udało się teraz poprawić dokładność pierwotnego pomiaru aż o dwa rzędy wielkości, chwali się doktor Dziurda.
Materia widzialna jest złożona głównie z kwarków górnych, dolnych, elektronów i neutrin elektronowych. Na przykład jądra atomów zbudowane są z protonów (składających się z 2 kwarków górnych i 1 kwarka dolnego) oraz neutronów (1 kwark górny i 2 kwarki dolne). Model Standardowy klasyfikuje kwark górny, dolny, elektron i neutrino elektronowe jako cząstki jednej generacji. Istnieją jeszcze dwie inne generacje, z cząstkami o podobnych właściwościach, ale coraz bardziej masywnych.
Kwarki nie występują swobodnie. Łączą się z innymi kwarkami. A najprostsze takie połączenie tworzy mezon, złożony z par kwark-antykwark. Mezony mogą przenosić ładunek elektryczny, lecz nie muszą. Te pozbawione ładunku elektrycznego, określane jako neutralne, wykazują frapującą cechę: oscylują między postacią materialną a antymaterialną. My skupiliśmy się na analizie częstotliwości oscylacji neutralnych mezonów zawierających kwark piękny b z trzeciej generacji i kwark dziwny s z drugiej, oznaczonych jako Bs0, mówi doktor Dziurda.
Mezony są niestabilne i rozpadają się w czasie pikosekund. Jedna pikosekunda to 0,000000000001. Jednak zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, produkty rozpadu neutralnych mezonów są różne, w zależności od tego, czy w momencie rozpadu znajdowały się w świecie materii czy antymaterii. Zatem dopiero po zarejestrowaniu i zidentyfikowaniu produktów rozpadu danego mezonu mogliśmy ustalić, czy rozpadł się on jako reprezentant świata materii, czy antymaterii. Połączenie tej wiedzy z informacją o naturze cząstki w momencie produkcji pozwoliło nam na pomiar częstotliwości oscylacji, stwierdza polska uczona.
Zespół Dziurdy przeanalizował mezony Bs0 powstałe w latach 2015–2018 w Wielkim Zderzaczu Hadronów jako wynik zderzeń proton-proton o łącznej energii 13 TeV (teraelektronowoltów). Badania wykazały, że mezony te oscylują pomiędzy materią i antymaterią 3 tryliony razy na sekundę. To aż 300-krotnie szybciej niż oscylacje typowego cezowego zegara atomowego.
Badania takie nie tylko potwierdzają przewidywania mechaniki kwantowej, ale pozwalają zawęzić też obszar poszukiwania nieznanych cząstek spoza Modelu Standardowego.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Zgodnie ze słynnym paradoksem bliźniąt, osoba poruszająca się z dużą prędkością, starzeje się wolniej niż jej brat-bliźniak. Podobnie ma się sprawa na Ziemi i innych dużych obiektach, które zaginają czasoprzestrzeń spowalniając upływ czasu. Jeśli jedno z bliźniąt będzie mieszkało nad morzem, a drugie na szczycie Mount Everest, gdzie grawitacja Ziemi oddziałuje nieco słabiej, będą starzały się w różnym tempie. Taka różnica została zresztą potwierdzona w eksperymencie, w którym jeden zegar atomowy umieszczono na poziomie morza, a drugi na szczycie góry.
Teraz fizykom udało się zmierzyć różnice w upływie czasu w milimetrowej skali. Jun Ye z JILA w stanie Kolorado, wybitny badacz atomowych zegarów sieci optycznej, zmierzył różnice pomiędzy górną a dolną częścią chmury atomów o wysokości milimetra. To krok naprzód w kierunku badania teorii względności i mechaniki kwantowej, których obecnie nie potrafimy połączyć w jedną całość.
Podczas swojego eksperymentu Ye wykorzystał optyczny zegar atomowy zbudowany z chmury 100 000 atomów strontu. Zegar wzbudzany był laserem. Przy odpowiedniej, bardzo precyzyjnej częstotliwości pracy lasera, elektrony krążące wokół każdego z jąder atomowych zajmowały wyższy poziom energetyczny. Jako, że tylko konkretna częstotliwość pracy lasera powodowały odpowiednie wzbudzenie elektronów, systemu można był użyć do niezwykle precyzyjnych pomiarów czasu. Można go porównać do zegara z wahadłem, gdzie rolę wahadła pełnią oscylacje światła lasera.
Gdy naukowcy porównali częstotliwość „tykania zegara” na w górnej i dolnej części chmury, okazało się, że czas pomiędzy poszczególnymi przejściami jest na górze o 0,00000000000000001% krótszy niż na dole.
Taki a nie inny sposób zaprojektowania eksperymentu pozwolił na usunięcie z pomiarów wielu zakłóceń. Na chmurę atomów wpływać może bowiem pole elektryczne, pole magnetyczne, ciepło otoczenia czy sam laser. Jednak niezależnie od tych wszystkich czynników różnica w częstotliwości pomiędzy górą a dołem chmury pozostawała taka sama. Autorzy badań mówią, że to krok w kierunku zunifikowania ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej.
Teoria względności opisuje czasoprzestrzeń, w której obiekty mają dobrze zdefiniowane właściwości i przemieszczają się pomiędzy punktami przestrzeni w zdefiniowany sposób. Z kolei w mechanice kwantowej obiekt może znajdować się w superpozycji, czyli przyjmować jednocześnie różne właściwości lub też może nagle przeskoczyć do innej lokalizacji. Obie teorie dobrze opisują właściwe sobie rzeczywistości, ale nie przystają do siebie nawzajem. Jeśli bowiem rozważymy masywny obiekt, jak np. planetę, to – zgodnie z ogólną teorią względności – będzie on zaginał czasoprzestrzeń. Jeśli teraz zastosujemy do niego mechanikę kwantową, czyli umieścimy ten obiekt w superpozycji, zatem jednocześnie będzie się on znajdował w dwóch różnych miejscach, to rodzi się pytanie, czy również geometria czasoprzestrzeni znajdzie się w superpozycji. Niemożność zunifikowania obu tych teorii, które na początku XX wieku zrewolucjonizowały fizykę, to wciąż poważny problem dla nauki. Oznacza bowiem, że nie jesteśmy w stanie w pełni opisać rzeczywistości.
Zegary atomowe to bardzo obiecujące systemy do badania tego problemu. Odmierzają bowiem czas, który w szczególnej teorii względności jest czwartą współrzędną czasoprzestrzeni, a jednocześnie przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi elektronów są możliwe dzięki zjawiskom kwantowym.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Troje astronomów, poszukując źródeł atomów antyhelu, które zostały zarejestrowane przez Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) znajdujący się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, wpadło na ślad 14 gwiazd zbudowanych z antymaterii – antygwiazd.
Simon Dupourque, Luigi Tibaldo oraz Peter von Ballmoos z Uniwersytetu w Tuluzie znaleźli antygwiazdy w archiwalnych danych Fermi Gamma-ray Telescope. Koncepcja istnienia antygwiazd jest pomysłem kontrowersyjnym, jeśli jednak one istnieją to powinny być widoczne dzięki słabemu sygnałowi promieniowania gamma, który największą moc osiąga przy energii 70 MeV. Sygnał ten pochodzić ma z cząstek materii opadających na gwiazdę i przez nią anihilowanych.
Antyhel-4 uzyskano po raz pierwszy w 2011 roku podczas zderzeń cząstek w Relativistic Heavy Ion Collider w Brookhaven National Laboratory. Wówczas naukowcy doszli do wniosku, że jeśli pierwiastek ten zostanie wykryty w przestrzeni kosmicznej, będzie to oznaczało, że pochodzi on z fuzji we wnętrzu antygwiazd.
W 2018 roku AMS-02 wykrył w promieniowaniu kosmicznym 8 atomów antyhelu: sześć atomów antyhelu-3 oraz dwa antyhelu-4. Wówczas jednak uznano, że atomy te powstały w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego na materię międzygwiezdną, w wyniku czego powstała antymateria.
Jednak kolejne analizy zasiały wątpliwość co do pochodzenia antyhelu. Stwierdzono bowiem, że im więcej nukleonów w jądrze pierwiastka antymaterii, tym trudniej takiemu pierwiastkowi uformować się w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego. Naukowcy obliczyli wówczas, że prawdopodobieństwo, by antyhel-3 powstał w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych jest 50-krotnie mniejsze niż powstanie jąder zarejestrowanych przez AMS, a powstanie antyhelu-4 w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego jest aż 105 mniejsze niż jąder, które zarejestrowano na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Po tych badaniach naukowcy skupili się więc na poszukiwaniu źródła antyhelu, w tym w stronę mało wiarygodnie brzmiącego wyjaśnienia, mówiącego, że pierwiastek ten powstał w antygwiazdach.
Zgodnie z obowiązującymi teoriami, podczas Wielkiego Wybuchu powinno powstać tyle samo materii i antymaterii. Następnie powinno dojść do ich anihilacji i powstania wszechświata, który będzie pełen promieniowania, a pozbawiony będzie materii. Żyjemy jednak we wszechświecie zdominowanym przez materię, a to oznacza, że podczas Wielkiego Wybuchu musiało powstać więcej materii niż antymaterii. Problem ten wciąż stanowi nierozwiązaną zagadkę.
Większość naukowców od dekad twierdzi, że obecnie we wszechświecie antymateria niemal nie występuje, z wyjątkiem niewielkich ilości powstających w wyniku zderzeń materii, mówi Tibaldo. Jednak odkrycie antyhelu w przestrzeni kosmicznej może podważać to przekonanie. Może bowiem oznaczać, że istnieją antygwiazdy.
Wspomnianych 14 potencjalnych antygwiazd zostało zidentyfikowanych w katalogu obejmującym 5878 źródeł promieniowania gamma zarejestrowanych w ciągu 10 lat przez Fermi Gamma-ray Telescope. Na podstawie tych danych Dupourque, Tibaldo i von Ballmoos wyliczyli pewne cechy, które powinny mieć antygwiazdy obecne w Drodze Mlecznej.
Naukowcy stwierdzają, że jeśli antygwiazdy utworzył się w dysku galaktyki obok zwyczajnych gwiazd, to powinna istnieć 1 antygwiazda na 400 000 zwykłych gwiazd. Jeśli jednak antygwiazdy są gwiazdami pierwotnymi i powstały we wczesnym wszechświecie w czasie, gdy Droga Mleczna dopiero się tworzyła, co oznacza, że znajdują się w najstarszych regionach naszej galaktyki – w galaktycznym halo – to mogą stanowić nawet 20% wszystkich gwiazd.
Jeśli przyjmiemy, że antymateria została uwięziona w antygwiazdach, to mamy tutaj prawdopodobne wyjaśnienie, dlaczego nie doszło do anihilacji. Szczególnie, jeśli antygwiazdy istnieją w regionach, gdzie zwykła materia występuje rzadko, w takich jak galaktyczne halo, mówi von Ballmoos.
Oczywiście trzeba też przyjąć, że zarejestrowanych 14 kandydatów na antygwiazdy to coś zupełnie innego. Dlatego też Dupourque, Tibaldo i von Ballmoos sugerują, że następnym krokiem badań może być sprawdzenie, czy tych 14 źródeł emituje też sygnały w innych zakresach, które mogłyby świadczyć o tym, że są to np. aktywne jądra galaktyk czy pulsary.
Autorzy badań opublikowali ich wyniki na łamach Physical Review D.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy pracujący przy eksperymencie ALPHA prowadzonym w CERN-ie są pierwszymi, którym udało się schłodzić antymaterię za pomocą lasera. Osiągnięcie otwiera drogę do lepszego poznania wewnętrznej struktury antywodoru i zbadania, w jaki sposób zachowuje się on pod wpływem grawitacji.
Antywodór to najprostsza forma atomowej antymaterii. Teraz, gdy mamy możliwość ich chłodzenia, naukowcy będą mogli przeprowadzić porównania atomów antywodoru z atomami wodoru, dzięki czemu poznamy różnice pomiędzy atomami antymaterii i materii. Znalezienie takich ewentualnych różnic pozwoli na lepsze zrozumienie, dlaczego wszechświat jest stworzony z materii.
To zupełnie zmienia reguły gry odnośnie badań spektroskopowych i grawitacyjnych i może rzucić nawet światło na badania nad antymaterią, takie jak tworzenie molekuł antymaterii i rozwój interferometrii antyatomowej, mówi rzecznik prasowy eksperymentu ALPHA, Jeffrey Hangst. Jeszcze przed dekadą laserowe chłodzenie antymaterii należało do dziedziny science-fiction.
W eksperymencie ALPHA atomy antywodoru powstają dzięki antyprotonom uzyskiwanym w Antiproton Decelerator. Są one łączone z pozytonami, których źródłem jest sód-22. Zwykle tak uzyskane atomy antywodoru są więzione w pułapce magnetycznej, co zapobiega ich kontaktowi z materią i anihilacji. W pułapce tej najczęściej prowadzone są badania spektroskopowe, podczas których mierzona jest reakcja antyatomów na wpływ fali elektromagnetycznej – światła laserowego lub mikrofal. Jednak precyzja takich pomiarów jest ograniczona przez energię kinetyczną, czyli temperaturę, antyatomów.
Tutaj właśnie pojawia się potrzeba schłodzenia. Technika laserowego chłodzenia atomów polega na oświetlaniu ich laserem o energii fotonów nieco mniejszej niż energia przejść między poziomami energetycznymi dla danego pierwiastka. Fotony są absorbowane przez atomy, które wchodzą na wyższy poziom energetyczny. A wchodzą dzięki temu, że deficyt energii fotonu potrzebny do przejścia pomiędzy poziomami uzupełniają z własnej energii kinetycznej. Następnie atomy emitują fotony o energii dokładnie dopasowanej do różnicy energii poziomów atomu i spontanicznie powracają do stanu pierwotnego. Jako, że energia emitowanego fotonu jest nieco wyższa od energii fotonu zaabsorbowanego, wielokrotnie powtarzany cykl absorpcji-emisji prowadzi do schłodzenia atomu.
Podczas najnowszych eksperymentów naukowcy z ALPHA przez kilkanaście godzin chłodzili laserem chmurę atomów antywodoru. Po tym czasie stwierdzili, że średnia energia kinetyczna atomów obniżyła się ponad 10-krotnie. Wiele z atomów osiągnęło energię poniżej mikroelektronowolta, co odpowiada temperaturze około 0,012 kelwina. Następnie antywodór poddano badaniom spektroskopowym i stwierdzono, że dzięki schłodzeniu osiągnięto niemal 4-krotnie węższą linię spektralną niż przy badaniach prowadzonych bez chłodzenia laserowego.
Przez wiele lat naukowcy mieli problemy z laserowym chłodzeniem wodoru, więc sama myśl o chłodzeniu antywodoru była szaleństwem. Teraz możemy marzyć o jeszcze większych szaleństwach z udziałem antymaterii, mówi Makoto Fujiwara, który zaproponował, by przeprowadzić powyższy eksperyment.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Kosmologowie od dawna mają problem z jedną z podstawowych wartości opisujących wszechświat – tempem jego rozszerzania się. Różne pomiary przynoszą bowiem różne wartości. Teraz coraz wyraźniej widać kolejne pęknięcie w standardowym modelu kosmologicznym. Niedawno grupa naukowców wykazała, że wszechświat jest niespodziewanie rzadki. Materia nie gromadzi się w nim tak, jak się spodziewano. Podobne sygnały pojawiały się już wcześniej, tym razem jednak mamy do czynienia z najbardziej szczegółową analizą danych zbieranych przez 7 lat.
Dane są na tyle wiarygodne, że niektórzy specjaliści zastanawiają się, czy nie wpadliśmy na trop czegoś nieznanego. Mamy już ciemną materię i ciemną energię. Mam nadzieję, że do wyjaśnień nie potrzebujemy kolejnej ciemnej rzeczy, mówi Michael Hudson, kosmolog z University of Waterloo, który nie był zaangażowany w najnowsze badania.
Autorzy najnowszych badań, skupieni wokół inicjatywy Kilo-Degree Survey (KiDS), obserwowali około 31 milionów galaktyk, położonych w promieniu do 10 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Na podstawie tych obserwacji wyliczyli średni rozkład niewidocznego gazu i ciemnej materii we wszechświecie. Odkryli, że jest jej niemal o 10% mniej niż przewiduje jeden z najpowszechniej uznawanych modeli kosmologicznych, Model Lambda-CDM.
W ciągu ostatnich ośmiu lat pojawiło się kilkanaście badań, których autorzy – korzystając z różnych technik – dochodzili do wniosku, że materia nie gromadzi się zgodnie z przewidywaniami. Rozpatrywane osobno badania te nie mają większego znaczenia. Rozważane w nich kwestie są tak trudne do zbadania, że łato mogło dojść do pomyłek. Jednak coraz częściej pojawiają się głosy, że to nie statystycznie dopuszczalne niedoskonałości w badaniach, ale reguła. Gdy w wielu różnych zestawach danych zaczynasz dostrzegać tę samą rzecz, musisz wziąć pod uwagę, że coś w tym jest, stwierdza Hudson.
Naukowcy muszą teraz pogodzić dwie sprzeczne ze sobą rzeczy. Z jednej strony, by określić tempo rozszerzania się wszechświata – w wiele wskazuje na to, że jest ono większe, niż sądzono – muszą znaleźć dodatkowy element, który go napędza. Z drugiej jednak strony skoro materia nie gromadzi się razem tak, jak przypuszczano, do siły na nią oddziałujące są słabsze, a nie mocniejsze, jak wymagałoby tego wyjaśnienie tempa rozszerzania się wszechświata. Julien Lesgourgues, kosmolog-teoretyk z Uniwersytetu Aachen mówi, że znalezienie satysfakcjonującego wyjaśnienia obu tych zjawisk będzie koszmarem.
Podejmowane są pewne próby wyjaśnień wspomnianych zjawisk. Przyspieszenie ekspansji wszechświata można by wyjaśnić „ciemnym promieniowaniem”. Jednak trzeba by je zbilansować dodatkową materią, która by się grupowała. Aby osiągnąć obserwowane mniejsze grupowanie się, trzeba by wprowadzić dodatkowy element, który to uniemożliwia. Tutaj pojawia się próba wyjaśnienia w postaci zamiany ciemnej materii – która powoduje grupowanie się materii – w ciemną energię, powodującą jej oddalanie się od siebie. Można też przyjąć, że Ziemia znajduje się w jakimś wielkim bąblu rozrzedzonej materii, co zaburza nasze obserwacje. Lub też uznać, że szybkie tempo rozszerzania się wszechświata i mniejsze grupowanie się materii nie są ze sobą powiązane. Nie widzę obecnie żadnego satysfakcjonującego wyjaśnienia. Jeśli jednak byłbym teoretykiem byłbym bardzo podekscytowany, mówi Hudson.
Wciąż też istnieje prawdopodobieństwo, że oba omawiane zjawiska lub przynajmniej jedno z nich, w rzeczywistości nie mają miejsca. Jednak by to stwierdzić, trzeba poczekać na inne dane. KiDS to jeden z trzech dużych projektów badawczych. Inne to międzynarodowy Dark Energy Survey prowadzony w Chile i japoński Hyper Suprime-Cam. W ramach każdego z nich skanowany jest inny fragment nieboskłonu na inną głębokość. W czasie ostatniej kampanii Dark Energy Survey przeskanowano obszar 5-krotnie większy niż badał KiDS. Wyniki powinny ukazać się w ciągu najbliższych miesięcy. Wszyscy na nie czekają. To kolejna wielka rzecz w kosmologii, mówi Daniel Scolnic, kosmolog z Duke University, który specjalizuje się w badaniu tempa rozszerzania się wszechświata.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.