Gigantyczne atomy odkrywają ciemną materię

Gigantyczne atomy odkrywają ciemną materię

Kosmos jest niesamowicie mało znanym miejscem. Tajemnicza substancja, która stanowi około 95% całej materii, zwana ciemną materią, mimo ogromnego wysiłku naukowców,  pozostaje ciągle niedostrzegalna. Fizycy przypuszczają, że ciemna materia naprawdę istnieje, ponieważ obserwowane grupy galaktyk rozpadłyby się, gdyby były utrzymywane jedynie przez pole grawitacyjne pochodzące od obserwowanej materii. Potrzebne jest znacznie silniejsze pole a to wymaga istnienia dodatkowej masy w galaktykach, czyli dodatkowej materii, której jak do tej pory nie można w tychże galaktykach zaobserwować.

Istnieją już teorie na temat cząstek z których zbudowana jest ciemna materia, przeprowadzono również wiele prób zarejestrowania oddziaływania tych cząstek ze zwykła materią, jednak jak do tej pory nie stwierdzono oddziaływań innych niż grawitacyjne. Być może są one tak słabe, że są niewykrywalne albo nie ma ich wcale.

Sytuacja wydaje się beznadziejna ale pojawia się światełko w tunelu w postaci ogromnych, rozciągniętych 4000 razy atomów.

Fizyka atomowa ma długą historię. Pierwsze dowody istnienia atomów przedstawił John Dalton na początku XIX w.  Potem był Ernest Rutherford i JJ Thomson, którzy odkryli, że atom składa się z jądra i elektronów potem Bohr i wreszcie  Erwin Schrödinger, który stworzył matematyczną teorię wyjaśniającą m.in. budowę atomów, zwaną dziś mechaniką kwantową.

Obecnie potrafimy już manipulować pojedynczymi atomami, co jest jednak dość trudne ze względu na ich niezwykłą wrażliwość na zewnętrzne zaburzenia. Ta wrażliwość, zwykle postrzegana jako niedogodność, może być bardzo pomocna w wykrywaniu cząstek ciemnej materii.

Wyobraźmy sobie że słabo oddziaływująca cząstka ciemnej materii zderza się i odbija od jądra atomu wymieniając z nim niewielką energię. Zmiana energii jądra będzie natychmiastowo odczuwalna przez krążące wokół jądra elektrony. Jednak normalnie ta zmiana energii jest tak mała,  że nie będzie miała istotnego wpływu na elektrony. Inaczej sprawy by się miały gdybyśmy mieli do dyspozycji atom wyjątkowo niestabilny i przez to wrażliwy na zaburzenia. Taki atom mógłby gwałtownie zmienić swój stan pod wpływem najmniejszej dawki energii: byłby niejako wzmacniaczem oddziaływania, idealną sondą wykrywające bardzo słabe oddziaływania jakie ewentualnie występują między naszą materią a jej ciemną odmianą.

W tym miejscu pojawiają się tzw. atomy Rydberga, których elektrony krążą w znacznej odległości od jądra. Większa odległość oznacza większą energię potencjalną, którą można uważać za energię zmagazynowaną w atomie.

W laboratorium możliwe jest stworzenie atomów większych ok 4000 razy od swoich oryginałów za pomocą naświetlania światłem laserowym o precyzyjnie dobranej częstotliwości. Wytworzone w ten sposób duże atomy są o wiele cięższe niż cząstki ciemnej materii i na pierwszy rzut oka wydaje się, że nie powinny one odczuwać uderzeń tych maleńkich cząstek. Jest jednak odwrotnie: rozciągnięte atomy są bardzo niestabilne i ich stosunkowo duża energia potencjalna może się nagle uwolnić w wyniku nawet najbardziej delikatnego muśnięcia.

Normalnie aby wykryć oddziaływanie atomów np. z promieniowaniem kosmicznym, rejestruje się strumienie wolnych elektronów albo światło emitowane przez elektrony opadające na niższe orbity po ich wzbudzeniu. Aby wywołać takie efekty uderzające w jądra atomowe cząstki powinny mieć pewną minimalną energię. W przypadku atomów powiększonych, ta minimalna energia jest jeszcze mniejsza więc prawdopodobnie możliwe będzie wykrycie zderzającego się z jądrem atomowym aksjonu – hipotetycznej cząstki elementarnej będącej składnikiem ciemnej materii.

Oprócz tego spodziewamy się, że niejako efektem ubocznym doświadczeń będzie rejestracja fal grawitacyjnych, które co prawda zostały już wykryte, ale w eksperymentach wykorzystujących atomy Rydberga, możliwe będzie wykrywanie fal o innych częstotliwościach.

Odpowiedz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *