Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Haloskop plazmowy pomoże złapać ciemną materię?

Recommended Posts

Fizycy z Uniwersytetu w Sztokholmie i Instytutu Fizyki im. Maxa Plancka zaproponowali rewolucyjny sposób na zarejestrowanie istnienia ciemnej materii. Uczeni chcą wykorzystać plazmę i specyficzną antenę do zarejestrowania aksjonów. Jedna z teorii mówi, że jeśli aksjony istnieją, to właśnie one mogą tworzyć ciemną materię.

Szukanie aksjonów jest jak dostrajanie radia. Trzeba ustawić antenę tak, by złapać odpowiednią częstotliwość. W tym wypadku zamiast muzyki 'usłyszymy' ciemną materię, przez którą podróżuje Ziemia. Przez ostatnie trzy dekady, od czasu nadania im nazwy przez Franka Wilczka, aksjony były jednak ignorowane i nie poszukiwano ich metodami eksperymentalnymi, mówi główny autor obecnych badań, doktor Alexander Millar z Uniwersytetu w Sztokholmie.

Z przeprowadzonych właśnie badań wynika,że wewnątrz pola magnetycznego aksjony powinny wytwarzać niewielkie pole magnetyczne, które można wykorzystać do wywołania oscylacji w plazmie. Te oscylacje wzmocnią sygnał z aksjonów, dzięki czemu możemy uzyskać lepsze 'aksjonowe radio'. Zwykle podobne eksperymenty prowadzi się w rezonatorach, jednak to, co proponują uczeni ze Szwecji i Niemiec ma olbrzymią zaletę – brak tutaj ograniczeń co do możliwości wzmacniania sygnału. Różnica jest taka, jak pomiędzy próbami złapania sygnału z krótkofalówki albo z radiowej wieży nadawczej.

Bez zimnej plazmy nie może dojść do konwersji aksjonów w światło. Plazm odgrywa tutaj podwójną rolę. Tworzy środowisko pozwalające na konwersję i dostarcza plazmonów zbierających energię przemienionej ciemnej materii, mówi doktor Matthew Lawson ze Sztokholmu. To całkowicie nowy sposób poszukiwania ciemnej materii, który pozwoli na poszukiwanie w zupełnie niebadanych obszarach jednego z najlepszych kandydatów do tego miana, dodaje Millar.

Rolę 'aksjonowego radia' ma odegrać coś, co naukowy nazwali 'drucianym metamateriałem'. Ma to być zbiór przewodów cieńszych od ludzkiego włosa, które mogą być poruszane, by zmienić częstotliwość drgań plazmy. Jeśli umieści się je wewnątrz silnego magnesu, takiego, jakie są używane w maszynach do rezonansu magnetycznego, 'druciany metamateriał' stanie się bardzo czułą anteną nasłuchującą aksjony. Urządzenie takie zostało nazwane haloskopem plazmowym.

Naukowcy z Uniwersytetu w Sztokholmie i Instytutu Maxa Plancka prowadzili co prawda badania teoretyczne, ale ściśle przy tym pracowali z grupą eksperymentatorów z Berkeley. Teraz Amerykanie zajmują się pracami koncepcyjymi nad odpowiednim eksperymentem i mają nadzieję, że w najbliższej przyszłości uda im się zbudować odpowiednie urządzenie do poszukiwania aksjonów. Haloskopy plazmowe to jeden ze sposobów na poszukiwanie aksjonów. Fakt, że ludzie zajmujący się badaniami eksperymentalnymi tak szybko zainteresowali się naszą pracą jest bardzo ekscytujący i daje nadzieję, że zostaną przeprowadzone odpowiednie eksperymenty, cieszy się Millar.

Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Physical Review Letters.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na łamach Monthly Notices of the Royal Astronomical Society pojawiły się wyniki nowego teoretycznego studium mechanizmu powstawania supermasywnych czarnych dziur. Jego autorzy, międzynarodowy zespół naukowy, twierdzą, że supermasywne czarne dziury nie muszą powstawać ze zwykłej materii, a mogą tworzyć się bezpośrednio z ciemnej materii.
      Powstawanie i ewolucja czarnych dziur to wciąż jedna z zagadek astronomii. Wiemy, że supermasywne czarne dziury istniały już 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wciąż nie wiemy, jak mogły uformować się tak szybko.
      Standardowe modele tworzenia się czarnych dziur mówi o materii barionowej, która zapadła się pod wpływem grawitacji, utworzyła czarną dziurę, która z czasem rosła wchłaniając pobliską materię.
      Autorzy nowej pracy badali teoretyczne możliwości istnienia stabilnych jąder galaktyk utworzonych z jądra z ciemnej materii i otaczającej je rozproszonego halo ciemnej materii. W czasie badań zauważyli, że centralne miejsca takich struktur mogą stać się tak gęste, że po przekroczeniu pewnej granicy zapadną się tworząc supermasywną czarną dziurę.
      Z modelu wynika, że takie zjawisko może zachodzić znacznie szybciej niż inne mechanizmy powstawania supermasywnych czarnych dziur. Na tyle szybko, że mogły się one formować we wczesnym wszechświecie, zanim jeszcze powstały galaktyki, w centrach których się znajdują.
      Nowy scenariusz formowania może wyjaśniać, w jaki sposób supermasywne czarne dziury powstały we wczesnym wszechświecie, bez potrzeby odwoływania się do wcześniejszego powstania gwiazd czy formowania się czarnych dziur o nierealnym tempie wzrostu, mówi główny autor badań Carlos R. Argüelles z Universidad Nacional de La Plata.
      Nasza praca pokazuje, że wewnątrz halo ciemnej materii mogą znajdować się gęste ośrodki, które mogą wyjaśniać formowania się supermasywnych czarnych dziur, mówi uczony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Dane z chińskiego detektora cząstek PandaX-II mogą wskazywać, że w ubiegłym roku eksperyment XENON1T zarejestrował sygnały świadczące o odkryciu nieznanych zjawisk fizycznych. Jak informowaliśmy, XENON1T zarejestrował dziesiątki nietypowych sygnałów, które można było interpretować na trzy sposoby. Najbardziej banalna z interpretacji to wystąpienie zanieczyszczenia, dwie pozostałe interpretacje to możliwe odkrycie nowych zjawisk, w tym przełomowe odkrycie cząstek ciemnej materii.
      Chińskie PandaX-II uzyskało właśnie dane, które mogą potwierdzać, że nie mamy do czynienia z zanieczyszczeniem, a rzeczywistym odkryciem.
      Znajdujący się we Włoszech XENON1T został zbudowany z myślą o poszukiwaniu słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP), które mają stanowić ciemną materię. W czerwcu ubiegłego roku naukowcy pracujący przy tym eksperymencie poinformowali o zaobserwowaniu 53+/-15 sygnałów, których nie potrafili wyjaśnić. Jako że nie byli w stanie podać jednej możliwej interpretacji, zaproponowali cztery wyjaśnienia.
      Najbardziej banalne to rozpad beta trytu, który mógł zanieczyścić ksenon używany w detektorze. Trzy pozostałe interpretacje są już bardziej interesujące. Sygnały mogły być wywołane obecnością nowego typu neutrina, tworzących ciemną materię aksjonów ze Słońca albo też obecnością bozonowej ciemnej materii. Uczeni wyliczyli też prawdopodobieństwo dla wszystkich czterech interpretacji i uznali, że najmniej prawdopodobne, bo wynoszące 3,0 sigma, jest zarejestrowanie bozonowej ciemnej materii. Z kolei prawdopodobieństwo zanieczyszczenia trytem oraz odkrycia nowego neutrina wyliczono na 3,2 sigma. Najbardziej zaś prawdopodobne – szacowane na 3,4 sigma – jest odkrycie słonecznych aksjonów.
      Informacja o sygnałach z XENON1T wywołała spore poruszenie. Naukowcy zabrali się do pracy, próbując wyjaśnić obserwowane zjawiska. Na przykład fizycy teoretyczni zaproponowali kilka interesujących rozwiązań problemu dotyczącego aksjonów słonecznych. Gdyby bowiem rzeczywiście one istniały, to białe karły powinny mieć mniejszą jasność, niż mają.
      Jednymi z naukowców, którzy postanowili bliżej przyjrzeć się danym z XENON1T, byli uczeni z Uniwersytetu Jiao Tong z Szanghaju, na czele których stał Jianglai Liu. Chińczycy użyli do swoich badań detektora PandaX-II z Jinping Underground Laboratory w Syczuanie. Chociaż zawiera on nieco ponad 0,5 tony ksenonu (dla porównania, XENON1T korzysta z 3,2 tony), to uczeni z Państwa Środka prowadzili swoje badania dłużej, dzięki czemu uzyskali tylko o połowę danych mniej niż uczeni pracujący przy XENON1T.
      Naukowcy pracujący przy PandaX-II mają pewną przewagę. Dzięki przeprowadzonej w odstępie 3 lat kalibracji z użyciem metanu, są w stanie lepiej scharakteryzować sygnały generowane w ich urządzeniu przez tryt zanieczyszczający ksenon.
      Przeprowadzony przez nich eksperyment zwiększył prawdopodobieństwo, że XENEN1T dokonał rzeczywistego odkrycia. Wciąż nie wiadomo, czym jest to odkrycie. Ponadto Chińczycy nie byli w stanie z całą pewnością wykluczyć, że nie doszło do zanieczyszczenia.
      Obecnie w Chinach trwają prace nad zwiększeniem czułości PandaX-II. Masa urządzenia zostanie zwiększona do 6 ton, w tym masa samego ksenonu wyniesie 4 tony. Nowe urządzenie, PandaX-4%, rozpocznie pracę jeszcze w bieżącym roku. Również w bieżącym roku ma ruszyć zmodernizowany 8,3-tonowy XENOnT, a w USA rozpoczyna właśnie pracę 10-tonowy LUX-ZEPLIN.
      Dzięki nowym, większym i bardziej czułym detektorom powinniśmy w niedługim czasie dowiedzieć się, co tak naprawdę zarejestrował XENON1T.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W marcowym numerze Physical Letters B ukażą się wyniki nowych badań nad ciemną materią. Ich autorzy znacząco zawęzili limity masy, jaką może mieć cząsteczka ciemnej materii. Dzięki tym badaniom łatwiej będzie ją znaleźć. Wyniki uzyskane przez naukowców z University of Sussex wskazują, że ciemna materia nie może być ani ultralekka, ani superciężka, jak mówią niektóre teorie. Chyba, że podlega ona nieznanym nam jeszcze oddziaływaniom.
      Brytyjscy naukowcy wyszli z założenia, że jedyną siłą działającą na ciemną materię jest grawitacja. Na tej podstawie obliczyli, że masa ciemnej materii musi zawierać się w przedziale od 10-3 eV do 107 eV. To znacznie węższy zakres niż postulowany dotychczas. Tym, co czyni badania profesora Xaviera Calmeta i doktoranta Folkerta Kuipersa jeszcze bardziej interesującymi, jest stwierdzenie, że jeśli masa ciemnej materii wykracza poza określony przez nich zakres, to działa na nią jeszcze jakaś siła oprócz grawitacji.
      Po raz pierwszy wykorzystaliśmy to, co wiadomo o grawitacji kwantowej do obliczeń zakresu masy ciemnej materii. Byliśmy zaskoczeni, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że dotychczas nikt tego nie zrobił. Równie zaskoczeni byli recenzenci naszej pracy, mówi Xavier Calmet.
      Wykazaliśmy, że ciemna materia nie może być ani ultralekka, ani superciężka – jak teoretyzują niektórzy – póki nie działa na nią nieznana nam siła. Nasze badania pomogą na dwa sposoby. Po pierwsze pozwolą skupić się na węższym zakresie mas w poszukiwaniu ciemnej materii, po drugie mogą potencjalnie pomóc w odkryciu nieznanej siły we wszechświecie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Koreańskie „sztuczne słońce” ustanowiło nowy rekord utrzymując przez 20 sekund plazmę o temperaturze jonów przekraczającej 100 milionów stopni Celsjusza. Tym samym specjaliści z Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) we współpracy z kolegami z Uniwerystetu Narodowego w Seulu oraz amerykańskiego Columbia University dwukrotnie poprawili swój ubiegłoroczny rekord, kiedy to plazma o takiej temperaturze została utrzymana przez 8 sekund.
      W Korei dokonuje się więc szybki postęp. Dość wspomnieć, że pierwszą plazmę o temperaturze jonów 100 milionów stopni uzyskano w 2018 roku i wówczas utrzymano ją przez 1,5 sekundy.
      Obecnie istnieje kilka reaktorów fuzyjnych, w których możan uzyskać plazmę o temperaturze co najmniej 100 milionów stopni Celsjusza, jednak nikomu nie udało się utrzymać jej przez 10 sekund lub dłużej. Przed miesiącem dokonali tego Koreańczycy i Amerykanie pracujący przy KSTAR.
      "Technologie potrzebne do długotrwałego utrzymania plazmy o temperaturze 100 milionów stopni są kluczowymi technologiami potrzebnymi do produkcji energii z reakcji termojądrowej. Sukces KSTAR to ważny punkt zwrotny w staraniach o stworzenie technologii pozwalających na długie utrzymanie plazmy. To krytyczna częć komercyjnych reaktorów fuzyjnych przyszłości", mówi Si-Woo Yoon, dyrektor KSTAR Research Center.
      Koreańskie centrum współpracuje m.in. z ITER i prowadzi wiele badań związanych z energią termojądrową. Celem KSTAR jest opracowanie technologii, która do roku 2025 pozwoli na utrzymanie przez 300 sekund plazmy o temperaturze jonów ponad 100 milionów stopni Celsjusza.
       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Współczesne zegary optyczne pracują z dokładnością 1 sekundy na 20 miliardów lat. Dlatego też naukowcy z USA, pracujący pod kierunkiem Juna Ye z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii postanowili wykorzystać tę precyzję oraz niezwykłą stabilność wykorzystywanych w nich kryształów krzemowych do uściślenia zakresu potencjalnych interakcji zachodzących pomiędzy ciemną materią a cząstkami i polami Modelu Standardowymi.
      O ciemnej materii wiemy niewiele. Mamy jedynie pośrednie dowody na jej istnienie, gdyż widzimy wywierane przez nią efekty grawitacyjne w skali galaktycznej i kosmologicznej. Jednym z elementów, które dotychczas wymykają się naukowcom poszukującym ciemnej materii są spodziewane oscylacje stałych fizycznych, jakie powinny zachodzić na styku ciemnej materii oddziałującej z cząstkami Modelu Standardowego. Ye i jego zespół zdali sobie sprawę, że jeśli za pomocą zegara optycznego nie uda się zaobserwować takich oscylacji, oznacza to, że siła interakcji ciemnej materii z materią jest znacznie mniejsza niż obecnie przyjmowana.
      Poszukiwania ciemnej materii prowadzone są w wielu laboratoriach na świecie. Cząstkami ciemnej materii mogą być hipotetyczne aksjony czy WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) o masach sięgających 100 GeV. Jednak Amerykanie postanowili przyjrzeć się drugiemu krańcowi masy. Wykorzystali zegar optyczny do poszukiwania możliwych interakcji pomiędzy ciemną materią a materią przy masach znacznie poniżej 1 eV czyli o 500 000 razy mniejszych niż masa elektronu w czasie spoczynku.
      Zegary optyczne to rodzaj zegarów atomowych. Wykorzystują one drgania atomów strontu. Częstotliwość ich pracy jest bezpośrednio związana z niektórymi stałymi fizycznymi, co pozwala dokonywać niezwykle precyzyjnych pomiarów ewentualnych zmian.
      Ye i jego zespół użyli więc zegara optycznego do poszukiwania jakichkolwiek zmian stałej struktury subtelnej (α), która opisuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych. W tym celu porównali częstotliwość drgań atomu strontu z krzemową wnęką optyczną. Częstotliwość obu jest definiowana przez α oraz inną stałą fizyczną, masę spoczynkową elektronu (me).
      Jednak w obu przypadkach zależności pomiędzy stałymi są różne, zatem ich stosunek do siebie pozwala na określenie ewentualnych zmian α. Używano już zegarów atomowych pracujących z częstotliwościami mikrofalowymi do określenia granic siły oddziaływania ciemnej materii. Nasza praca to pierwsza próba wykorzystania zegara optycznego do znalezienia oscylacji świadczących o istnieniu ciemnej materii, mówi Ye.
      Naukowcy porównali więc częstotliwość wnęki optycznej do częstotliwości zegara optycznego i dodatkowo użyli też częstotliwości wodorowego masera. Co prawda urządzenie to nie pozwala na tak precyzyjne pomiary jak zegar optyczny, jednak bazuje on na innym stosunku częstotliwości do α i me, a dzięki porównaniu tych właściwości z danymi krzemowej wnęki można sprawdzać ewentualne oscylacje wartości me. O ile oscylacje wartości a wskazywałaby na oddziaływania pomiędzy ciemną materią a polem elektromagnetycznym, to oscylacje me ujawniłyby jej interakcje z elektronem.
      Wykorzystanie w pomiarach krzemowej wnęki optycznej pozwala dodatkowo skorzystać z jej stabilności. Większość takich wnęk jest wykonanych ze szkła, które jest nieuporządkowanym amorficznym ciałem stałym. Nowa generacja krzemowych wnęk optycznych wykonanych z pojedynczego kryształu krzemu utrzymywanego w temperaturach kriogenicznych powoduje, że są one o cały  rząd wielkości bardziej stabilne. To podstawowa zaleta naszej pracy, mówi Colin Kennedy, jeden z autorów badań.
      Tak jak się spodziewano, nie zaobserwowano oscylacji podstawowych stałych fizycznych spowodowanych oddziaływaniem z ciemną materią. Oznacza to, że dla cząstek ciemnej materii o masie od 4,5 x 10-16 aż do 1 x 10-19 eV możliwa siła oddziaływań definiowana przez α jest nawet pięciokrotnie mniejsza niż obecnie zakładana. Dla stałej me i cząstek o masie 2 x 10-19 po 2 x 10-21 eV siła ta jest nawet 100-krotnie mniejsza.
      Ze szczegółami można zapoznać się w pracy Precision Metrology Meets Cosmology: Improved Constraints on Ultralight Dark Matter from Atom-Cavity Frequency Comparisons

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...