Znajdź ciemną materię w Jülich

13 lipca 2023 r

Po raz pierwszy naukowcy zastosowali obiecującą nową metodę poszukiwania cząstek ciemnej materii w akceleratorze cząstek. Metoda zastosowana przez naukowców w ramach międzynarodowej współpracy JEDI opiera się na obserwacji polaryzacji spinowej wiązki cząstek w pierścieniu magazynującym COSY Golish. Opublikowali dziś swoje odkrycia w renomowanym czasopiśmie „Physical Review X”.

Około 80% materii we wszechświecie składa się z nieznanej, niewidzialnej materii. Tę „ciemną materię” postulowano już około 90 lat temu. „To był jedyny sposób na pogodzenie rozkładu prędkości widzialnej materii w galaktykach z istniejącą wiedzą” – wyjaśnia Jörg Pritz, jeden ze współautorów badania, który jest również zastępcą dyrektora Instytutu Fizyki Jądrowej w Forschungszentrum Jülich i profesorem na RWTH Aachen-Uniwersytet. . „Ciemna” forma materii, której wcześniej nie obserwowano, powinna dodatkowo działać stabilizująco na galaktyki”.

Fizycy badają to zagadnienie od lat 30. XX wieku. W nauce nie brakuje teorii, ale nikomu jeszcze nie udało się wykryć ciemnej materii. „Dzieje się tak, ponieważ natura ciemnej materii wciąż nie jest do końca jasna” – powiedział dr Volker Heegne, również z Jülich Institute for Nuclear Physics i, podobnie jak jego kolega Jörg Pritz, członek międzynarodowej współpracy JEDI, która przeprowadziła eksperyment. JEDI to skrót od Jülich Electric Dipole Mom Investments, a zaangażowani we współpracę naukowcy pracują nad pomiarem momentów dipolowych naładowanych cząstek od 2011 roku. małe, dlatego staje się to widoczne dopiero w przypadku bardzo dużych gromad – jak całe galaktyki”.

Fizycy teoretycy zaproponowali już szereg hipotetycznych cząstek elementarnych, z których mogłaby się składać ciemna materia. W zależności od właściwości tych cząstek, do ich wykrywania można zastosować różne metody — sposoby, które nie wymagają zbyt skomplikowanego wykrywania efektów grawitacyjnych. Metody te obejmują aksony i cząstki podobne do aksonów. „Pierwotnie aksjony miały rozwiązać problem w teorii silnych oddziaływań chromodynamiki kwantowej” – wyjaśnia Britz. „Nazwa axion wywodzi się od laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, Franka Wilczka, i odnosi się do pewnego rodzaju środka czyszczącego: obecność cząstek miała „oczyścić” teorię fizyki, że tak powiem”.

Aby odkryć aksjony, naukowcy współpracujący z JEDI wykorzystali rolki cząstek. „Spin to wyjątkowa właściwość mechaniki kwantowej, która powoduje, że cząstki zachowują się jak małe magnesy sztabkowe” – wyjaśnia Hegney. „Ta właściwość jest wykorzystywana na przykład w obrazowaniu medycznym rezonansem magnetycznym, w skrócie MRI. W ramach tego procesu spin jąder atomowych jest stymulowany przez silne zewnętrzne pola magnetyczne”.

Technologia MRI jest również wykorzystywana do poszukiwania ciemnej materii. Podczas gdy w normalnym MRI atomy są w spoczynku, w akceleratorze cząstki poruszają się z prędkością bliską prędkości światła. Dzięki temu badania w niektórych obszarach są bardziej czułe, a pomiary dokładniejsze.

W swoim eksperymencie naukowcy JEDI wykorzystali specjalną cechę akceleratora cząstek COSY Goulich, jaką jest wykorzystanie spolaryzowanych wiązek. „W konwencjonalnej wiązce cząstek cząstki toczą się w losowych kierunkach” – mówi Pritz. „Jednak w spolaryzowanej wiązce cząstek spiny są ustawione w jednym kierunku”. Istnieje tylko kilka akceleratorów na świecie, które mają taką możliwość.

Jeśli jesteśmy otoczeni, jak podejrzewają naukowcy, polem tła aksonów, wpłynęłoby to na ruch spinów – a zatem mogłoby ostatecznie zostać wykryte w eksperymencie. Oczekiwany efekt jest jednak niewielki. Pomiary nie są wystarczająco dokładne. Jednak chociaż eksperyment JEDI nie znalazł jeszcze dowodów na istnienie cząstek ciemnej materii, naukowcom udało się zawęzić potencjalny efekt interakcji. A co być może najważniejsze, stworzyli obiecującą nową metodę poszukiwania ciemnej materii.

Oryginalna publikacja: Pierwsze badanie cząsteczek podobnych do aksonów w pętli spichrzowej przy użyciu spolaryzowanej wiązki deuteronu, S. Karanth et al. (Współpraca JEDI), Phys. Obrót silnika. X 13, 031004 – Opublikowano 12 lipca 2023 r., DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031004

Ansprechpartner

• Instytut Fizyki Jądrowej (IKP)
• Eksperymentalna dynamika hadronów (IKP-2)

• Instytut Fizyki Jądrowej (IKP)
• Eksperymentalna dynamika hadronów (IKP-2)