Aproximativ 80% din toată materia din cosmos este o formă complet necunoscută fizicii actuale. O numim materie întunecată, pentru că, cât mai bine putem spune că este… întuneric. Experimentele din întreaga lume încearcă să capteze o particulă rătăcită de materie întunecată în speranța de a o înțelege, dar până acum s-au arătat goale.
Recent, o echipă de teoreticieni a propus o nouă modalitate de a vâna materia întunecată folosind „particule” ciudate numite magnoni, nume pe care nu l-am alcătuit doar. Acești teoreticieni spun că aceste ondulări minuscule pot atrage chiar și o particulă de materie întunecată și ușoară trecătoare.
Puzzle-ul materiei întunecate
Știm tot felul de lucruri despre materia întunecată, cu excepția notabilă a ceea ce este.
Chiar dacă nu o putem detecta direct, vedem dovezi ale materiei întunecate imediat ce deschidem telescoapele către universul mai larg. Prima revelație, înapoi în anii 1930, a venit prin observații ale grupurilor de galaxii, unele dintre cele mai mari structuri din univers. Galaxiile care le-au locuit pur și simplu se mișcau prea repede pentru a fi ținute împreună ca un grup. Acest lucru se datorează faptului că masa colectivă a galaxiilor dă lipici gravitațional care ține clusterul împreună - cu cât este mai mare masa, cu atât lipiciul este mai puternic. Un lipici super-puternic poate ține împreună chiar și cele mai rapide mișcări de galaxii. Orice mai rapid și grupul s-ar dezlipi pur și simplu.
Însă acolo existau ciorchini, galaxii zburau în interiorul lor mult mai repede decât ar fi trebuit să dea masa clusterului. Ceva avea suficientă prindere gravitațională pentru a ține grupurile împreună, dar ceva nu emitea sau interacționa cu lumina.
Acest mister a persistat nerezolvat de-a lungul deceniilor, iar în anii ’70, astronomul Vera Rubin a ridicat ante-urile într-un mod mare prin observații de stele din galaxii. Încă o dată, lucrurile s-au mișcat prea repede: Având în vedere masa lor observată, galaxiile din universul nostru ar fi trebuit să se rotească în urmă cu miliarde de ani. Ceva îi ținea împreună. Ceva nevăzut.
Povestea se repetă peste tot în cosmos, atât în timp cât și în spațiu. De la cea mai timpurie lumină de la Big Bang la cele mai mari structuri din univers, ceva funky este acolo.
Căutând în întuneric
Deci materia întunecată este foarte mult acolo - pur și simplu nu putem găsi nicio altă ipoteză viabilă care să explice tsunamiul de date în sprijinul existenței sale. Dar ce este? Cea mai bună presupunere a noastră este că materia întunecată este un fel de particule noi, exotice, până acum necunoscute fizicii. În această imagine, materia întunecată inundă fiecare galaxie. De fapt, porțiunea vizibilă a unei galaxii, așa cum se vede prin stele și nori de gaz și praf, este doar un far micuț așezat pe un mal mult mai mare și mai întunecat. Fiecare galaxie se află într-un „halo” mare format din zilioane pe zillioni de particule de materie întunecată.
Aceste particule de materie întunecată curg prin camera dvs. chiar acum. Străluiesc prin tine. Un duș de ploaie fără sfârșit este particule minuscule, invizibile de materie întunecată. Dar pur și simplu nu le observați. Ei nu interacționează cu lumina sau cu particule încărcate. Sunteți din particule încărcate și sunteți foarte prietenos cu lumina; ești invizibil pentru materia întunecată și materia întunecată este invizibilă pentru tine. Singurul mod în care „vedem” materia întunecată este prin forța gravitațională; gravitația observă orice formă de materie și energie din univers, întunecată sau nu, așa că la cele mai mari scări observăm influența masei combinate a tuturor acestor nenumărate particule. Dar aici în camera ta? Nimic.
Dacă nu sperăm, există vreo altă modalitate prin care materia întunecată interacționează cu noi materia normală. Este posibil ca particulele de materie întunecată, oricare ar fi ea, să simtă și slaba forță nucleară - care este responsabilă de degradarea radioactivă - deschizând o nouă fereastră în acest tărâm ascuns. Imaginați-vă că construiți un detector uriaș, doar o masă mare din orice element aveți la îndemână. Particule de materie întunecată curg prin ea, aproape toate inofensiv. Dar, uneori, cu o raritate în funcție de modelul particular al materiei întunecate, particulele care trec interacționează cu unul dintre nucleii atomici ai elementelor din detector prin forța nucleară slabă, dând-o la loc și făcând întreaga masă a detectorului tolba.
Introduceți magnonul
Această configurație experimentală funcționează numai dacă particulele de materie întunecată sunt relativ grele, dându-i suficient oomph pentru a elimina un nucleu într-una dintre acele interacțiuni rare. Dar până în prezent, niciunul dintre detectoarele de materie întunecată de pe glob nu a văzut nicio urmă de interacțiune, chiar și după ani și ani de căutare. Pe măsură ce experimentele au continuat, proprietățile admisibile ale materiei întunecate au fost încet încet. Nu este neapărat un lucru rău; pur și simplu nu știm din ce materie întunecată este făcută, deci cu cât știm mai multe despre ceea ce nu este, cu atât este mai clară imaginea despre ce ar putea fi aceasta.
Însă lipsa rezultatelor poate fi un pic îngrijorătoare. Cei mai grei candidați pentru materie întunecată sunt excluse și, dacă particulele misterioase sunt prea ușoare, nu vor fi niciodată văzute în detectoare așa cum sunt instalate în acest moment. Adică, dacă nu există un alt mod prin care materia întunecată poate vorbi cu materia obișnuită.
Într-un articol recent publicat în jurnalul online de presă online arXiv, fizicienii detaliază o configurație experimentală propusă care ar putea observa o particulă de materie întunecată în actul de a schimba spinul electronilor (dacă, de fapt, materia întunecată poate face asta). În această configurație, poate fi detectată substanța întunecată, chiar dacă particulele suspecte sunt foarte ușoare. Poate face acest lucru prin crearea așa-numitelor magnone în material.
Pretindeți că aveți o bucată de material la o temperatură de zero absolută. Toate rotirile - ca niște magneți mici de bară - ai tuturor electronilor din această materie vor indica în aceeași direcție. Pe măsură ce creșteți încet temperatura, unii dintre electroni vor începe să se trezească, se vor răzgândi și îți vor arăta în mod aleator rotirile în direcția opusă. Cu cât creșteți mai mult temperatura, cu atât mai mulți electroni se răstoarnă - și fiecare dintre aceste flipuri reduce rezistența magnetică doar cu puțin. Fiecare dintre aceste rotiri învârtite provoacă, de asemenea, o mică ondulare în energia materialului, iar acele pericole pot fi privite ca o cvasiparticule, nu o particulă adevărată, ci ceva pe care îl puteți descrie cu matematica în acest fel. Aceste cvasiparticule sunt cunoscute sub numele de "magnoni", probabil pentru că sunt ca niște magneți minusculi, drăguți.
Deci, dacă începeți cu un material cu adevărat rece și destule particule de materie întunecată lovesc materialul și aruncați câteva rotiri în jur, veți observa magnonii. Datorită sensibilității experimentului și naturii interacțiunilor, această configurație poate detecta o particulă ușoară de materie întunecată.
Adică dacă există.
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda Întrebați un Spaceman și Radio spațială, și autorul Locul tău în Univers.
