Poszukiwania ciemnej materii: Kurczą się kryjówki dla aksjonów

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Gdyby istniały, aksjony – jedne z kandydatów na cząstki zagadkowej ciemnej materii – mogłyby oddziaływać z materią tworzącą nasz świat, jednak musiałyby to robić znacznie, znacznie słabiej niż się dotychczas wydawało. Nowe, rygorystyczne ograniczenia na właściwości aksjonów narzucił międzynarodowy zespół naukowców odpowiedzialnych za eksperyment nEDM.

Do zaskakujących wniosków doprowadziła najnowsza analiza pomiarów właściwości elektrycznych ultrazimnych neutronów, opublikowana w czasopiśmie naukowym Physical Review X. Na podstawie danych zebranych w eksperymencie nEDM (Electric Dipole Moment of Neutron) międzynarodowa grupa fizyków – w tym krakowscy naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) i Uniwersytetu Jagiellońskiego – w nowatorski sposób wykazała, że aksjony, hipotetyczne cząstki mogące tworzyć zimną ciemną materię, gdyby istniały, musiałyby spełniać znacznie bardziej rygorystyczne niż dotychczas sądzono ograniczenia dotyczące ich masy i sposobów oddziaływania ze zwykłą materią. Zaprezentowane wyniki są pierwszymi danymi laboratoryjnymi narzucającymi limity na potencjalne oddziaływania aksjonów z nukleonami (czyli protonami bądź neutronami) i gluonami (cząstkami spajającymi kwarki w nukleonach).

Pomiary elektrycznego momentu dipolowego neutronów są prowadzone przez naszą międzynarodową grupę od dobrych kilkunastu lat. Przez większość tego czasu nikt z nas nie przypuszczał, że w zgromadzonych danych mogłyby się kryć jakiekolwiek ślady związane z potencjalnymi cząstkami ciemnej materii. Dopiero niedawno teoretycy zasugerowali taką możliwość – a my skwapliwie skorzystaliśmy z okazji do zweryfikowania hipotez o właściwościach aksjonów, mówi uczestniczący w eksperymencie dr hab. Adam Kozela (IFJ PAN).

Na pierwsze ślady ciemnej materii natrafiono podczas analiz ruchów gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach galaktyk. Pionierem statystycznych badań ruchów gwiazd był polski astronom Marian Kowalski. Już w 1859 roku zauważył on, że ruchów bliskich nam gwiazd nie da się wytłumaczyć samym ruchem Słońca. Była to pierwsza przesłanka obserwacyjna sugerującą obrót Drogi Mlecznej (Kowalski jest więc tym człowiekiem, który „ruszył z posad" galaktykę). W 1933 roku Szwajcar Fritz Zwicky poszedł krok dalej. Kilkoma metodami przeanalizował ruchy obiektów w gromadzie galaktyk Coma. Zauważył wtedy, że poruszają się one tak, jakby w ich otoczeniu znajdowała się znacznie większa ilość materii niż dostrzegana przez astronomów.

Mimo dekad poszukiwań, do dziś nie jest znana natura ciemnej materii, której we Wszechświecie (jak sugerują pomiary mikrofalowego promieniowania tła) powinno być niemal 5,5 razy więcej niż zwykłej materii. Teoretycy skonstruowali całe zoo modeli przewidujących istnienie mniej lub bardziej egzotycznych cząstek mogących odpowiadać za istnienie ciemnej materii. Wśród kandydatów są m.in. aksjony. Gdyby istniały, te ekstremalnie lekkie cząstki oddziaływałyby ze zwykłą materią niemal wyłącznie grawitacyjnie. Niemal, gdyż dotychczasowe modele przewidywały, że w pewnych sytuacjach foton mógłby się zamienić w aksjon, a ten po pewnym czasie przekształcałby się z powrotem w foton. To hipotetyczne zjawisko było i jest podstawą słynnych eksperymentów „świecenia przez ścianę”. W ich trakcie naukowcy kierują intensywną wiązkę światła laserowego na grubą przeszkodę licząc, że przynajmniej nieliczne fotony zmienią się w aksjony, który przeniknęłyby przez ścianę bez większych problemów. Po przejściu przez ścianę niektóre aksjony mogłyby z powrotem stać się fotonami o cechach dokładnie takich jak fotony pierwotnie padające na ścianę.

Eksperymenty związane z mierzeniem elektrycznego momentu dipolowego neutronów, prowadzone przez grupę naukowców z Australii, Belgii, Francji, Niemiec, Polski, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii, nie mają nic wspólnego z fotonami. Aparatura pomiarowa początkowo znajdowała się w Institut Laue–Langevin (ILL) w Grenoble (Francja), obecnie funkcjonuje w Laboratory for Particle Physics w Paul Scherrer Institute (PSI) w Villigen (Szwajcaria). W prowadzonych od kilkunastu lat eksperymentach naukowcy mierzą zmiany częstotliwości magnetycznego rezonansu jądrowego (Nuclear Magnetic Resonanse, NMR) neutronów oraz atomów rtęci znajdujących się w komorze próżniowej, w obecności pól elektrycznego, magnetycznego i grawitacyjnego. Pomiary te pozwalają wyciągać wnioski o sposobach precesji neutronów i atomów rtęci, a w konsekwencji – o ich dipolowych momentach elektrycznych.

Ku zaskoczeniu wielu fizyków, w ostatnich latach pojawiły się prace teoretyczne przewidujące możliwość dodatkowego oddziaływania aksjonów: z gluonami i nukleonami. W zależności od masy aksjonów, oddziaływania te mogłyby skutkować mniejszymi lub większymi zaburzeniami o charakterze oscylacji dipolowych momentów elektrycznych nukleonów, a nawet całych atomów. Przewidywania teoretyków oznaczały, że eksperymenty prowadzone w ramach współpracy nEDM mogą zawierać wartościowe informacje dotyczące istnienia i właściwości potencjalnych cząstek ciemnej materii.

W danych z eksperymentów w PSI nasi koledzy prowadzący analizę szukali zmian częstotliwości o okresach rzędu minut, a w wynikach z ILL – rzędu dni. Te ostatnie pojawiłyby się, gdyby istniał wiatr aksjonów, czyli gdyby aksjony w przestrzeni wokółziemskiej poruszały się w określonym kierunku. Skoro bowiem Ziemia wiruje, nasz sprzęt pomiarowy o różnych porach dnia zmieniałby swoją orientację względem wiatru aksjonów, a to powinno skutkować cyklicznymi, dobowymi zmianami w rejestrowanych przez nas oscylacjach, tłumaczy dr Kozela.

Wyniki poszukiwań okazały się negatywne: nie natrafiono na żaden ślad istnienia aksjonów o masach między 10-24 a 10-17 elektronowolta (dla porównania: masa elektronu wynosi ponad pół miliona elektronowoltów). Dodatkowo naukowcom udało się 40-krotnie zaostrzyć ograniczenia narzucane przez teorię na oddziaływanie aksjonów z nukleonami. W przypadku potencjalnych oddziaływań z gluonami obostrzenia wzrosły jeszcze bardziej, ponadtysiąckrotnie. Jeśli więc aksjony istnieją, w obecnych modelach teoretycznych mają coraz mniej miejsc, w których mogłyby się skrywać.

« powrót do artykułu

[Gość]

 

 

Pionierem statystycznych badań ruchów gwiazd był polski astronom Marian Kowalski. Już w 1859 roku zauważył on, że ruchów bliskich nam gwiazd nie da się wytłumaczyć samym ruchem Słońca.

Boże! Widzisz i nie grzmisz…

[smoczeq 5]

A co Astro jest nie tak z tym stwierdzeniem? Mógłbyś rozwinąć?

[Gość]

Za Astro się nie wypowiem, ale proponuję przeczytać ze zrozumieniem i poszukać choć na wiki kilku źródeł. Nie chodzi mi oczywiście o czystość "polskości". Nie chodzi mi też o przesunięcie poszukiwań/ zaprzeczeń/ etc. ciemnej materii do czasów Kopernika. W końcu Kopernik Polakiem prawdziwym był.

(kto wie, może jednak była)

[rahl 26]

Nie wiem czy w ogóle czytałeś/czytałaś(jaaaasne) art. Pisze tam wyraźnie, że M.Kowalski jako jeden z pierwszych zauważył, "nieprawidłowości" w ruchu gwiazd. Nigdzie nie ma żadnego nawiązania jego wyników obserwacyjnych do ciemnej materii.

Troszkę niefortunne jest sformułowanie : "Już w 1859 roku zauważył on, że ruchów bliskich nam gwiazd nie da się wytłumaczyć samym ruchem Słońca."

I tylko tyle.

[thikim 119]

Chodzi o "Słońca".

 

 

że ruchów bliskich nam gwiazd nie da się wytłumaczyć samym ruchem Słońca.

A Marianowi chodziło o centrum Naszej Galaktyki.

Więc wtopa jest na KW.

To jednak nie jest istota artykułu. Istotą jest to że ta ciemna materia którą już niektórzy widzą za drzwiami następnego eksperymentu - oddala się coraz szybciej

Rok w rok poznajemy kolejne dane na temat: tu ciemnej materii nie ma

Chociaż akurat aksjony mogą istnieć bo nie wymyślono ich tylko na potrzeby CM.

Edytowane 17 lutego 2018 przez thikim

[rahl 26]

Ciemna materia to po prostu koncept, który powstał aby wyjaśnić takie a nie inne zachowania "widzialnej" materii. Tak naprawdę nie wiadomo co to właściwie jest ale widzimy skutki jego oddziaływania - i co do jego istnienia nie ma raczej wątpliwości.

Podobnie było na początku z czarnymi dziurami, co prawda niektórzy jeszcze wątpią, ale mamy w toku eksperyment mający na celu "sfotografowanie" BH w centrum naszej galaktyki, więc to tylko kwestia czasu jak będziemy mieli bardziej namacalne dowody.

[thikim 119]

Oj, to już dawno przekroczyło ramy konceptu. Powołano zbyt wiele bytów aby wyjaśnić CM. Dobrym przykładem są cząstki supersymetryczne.

[rahl 26]

Źle się wyraziłem, chodziło mi o to, że samo sformułowanie "ciemna materia" to koncept, który wprowadza wielu zainteresowanych w błąd i daje niewłaściwe wyobrażenie na jego temat.

[thikim 119]

Dlatego nazywam to worem do którego zmieści się wszystko co znane i nieznane. Przy czym stawiam jednak na znane. Puszczając nieco wodze fantazji:

jeśli energia próżni istnieje to mogłaby być źródłem dodatkowej grawitacji które my określamy jako ciemną materię. Do tego dochodzą czarne dziury które dość ciężko obserwować.

Dalej cząstki wirtualne które nie mają ograniczeń na dodatnią energię mogłyby być źródłem tego co zwiemy ciemną energią.

Do tego dochodzi nam energia potencjalna w skalach kosmologicznych oraz zakrzywienie czasoprzestrzeni Wszechświata.

Myślę że łącznie te zjawiska wyjaśnią zarówno CM jak i CE o wiele lepiej niż wszystko inne razem wzięte.

[rahl 26]

jeśli energia próżni istnieje to mogłaby być źródłem dodatkowej grawitacji które my określamy jako ciemną materię

 

Energia próżni ma działanie przeciwne do grawitacji, to własnie ona jest odpowiedzialna za przyśpieszanie rozszerzania wszechświata.

Cząstki wirtualne to albo manifestacja fluktacji energii próżni, albo fluktuacja pól kwantowych.

Edytowane 19 lutego 2018 przez rahl

[thikim 119]

 

 

Energia próżni ma działanie przeciwne do grawitacji

Poprosiłbym o źródło tej informacji

 

 

to własnie ona jest odpowiedzialna za przyśpieszanie rozszerzania wszechświata.

Tej też

 

 

Cząstki wirtualne to albo manifestacja fluktacji energii próżni

I tej.

[Gość]

 

 

Dalej cząstki wirtualne które nie mają ograniczeń na dodatnią energię mogłyby być źródłem tego co zwiemy ciemną energią. Do tego dochodzi nam energia potencjalna w skalach kosmologicznych oraz zakrzywienie czasoprzestrzeni Wszechświata. Myślę że łącznie te zjawiska wyjaśnią zarówno CM jak i CE o wiele lepiej niż wszystko inne razem wzięte.

Sprawdzam. Można coś więcej niż pańskie patriarchalne przekonania? Jakieś prace źródłowe?

[thikim 119]

Przecież wyraźnie napisałem:

 

 

Puszczając nieco wodze fantazji:

Którego z tych słów nie rozumiesz Astro?

[Gość]

 

 

Którego z tych słów nie rozumiesz Astro?

Tego podkreślonego i wytłuszczonego wyżej w tym kontekście.

[thikim 119]

A słowo "fantazji" - rozumiesz?

https://pl.wikipedia.org/wiki/Fantazja_(psychologia)

Tak pomocniczo.

Edytowane 19 lutego 2018 przez thikim

[Gość]

Ja tak, ale pan najwyraźniej ma z tym kłopot.

[thikim 119]

Bardzo chętnie usłyszę Astro co myślisz na temat aksjonów ,CM i CE. Jeśli coś myślisz

Znowu zaczynasz się bawić minusami jak widzę. Że też Ci się ta zabawa nie nudzi ani niczego nie uczy

Edytowane 19 lutego 2018 przez thikim

[Gość]

 

 

Bardzo chętnie usłyszę Astro co myślisz na temat aksjonów ,CM i CE. Jeśli coś myślisz

Bardzo chętnie poinformuję, że wiem na ten temat zdecydowanie więcej niż się panu wydaje, ale zwyczajnie nie mam ochoty. Musiałby się pan znacznie bardziej postarać niż te parę smutnych minut pańskich "przemyśleń". Każdy widzi jak panu wyszło, czyli jak zwykle.

[thikim 119]

Więcej niż mi się wydaje? Jestem pełen podziwu dla Twojej wszechwiedzy

Jeśli myślisz że pisząc coś tutaj starasz się dla mnie to nie jest miejsce dla Ciebie. Piszesz tu dla wszystkich. Faktycznie rzadko masz ochotę napisać coś mądrego dla wszystkich.

[Gość]

Lekarzu. Lecz się sam. Proponuję, by pan pomyślał ze trzy razy zanim pan cokolwiek napisze.

[thikim 119]

Ubolewam nad tym że zamiast napisać kilka zdań na temat aksjonów wolisz pisać nie na temat.

[Gość]

Ubolewam jeszcze bardziej, że cała pańska polemika, od pierwszej pańskiej odpowiedzi, jest nie tylko nie na temat, ale z gruntu ad personam.

[rahl 26]

Thikim - może to się wydawać troszkę przeciwne intuicji, ale wg wszelkich oznak energia próżni ma "ujemną" grawitację i to jej wpływ jest jednym z głównych kandydatów na stanowisko ciemnej energii. Cząstki wirtualne są bezpośrednią manifestacją fluktuacji próżni kwantowej. Jedno z drugim jest powiązane. 

 

P.S. Mała uwaga, dobrze czasem coś poszukać samodzielnie, albo pooglądać mądrzejszych ludzi, polecam serię PBS SpaceTime, a przede wszystkim odcinki z udziałem Matta O'Dowd'a. Mnie osobiście ta seria otworzyła oczy i zachęciła do samodzielnego szukania nowych informacji.