Πριν από λίγες μέρες ξεκίνησε στο DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) το πιο ευαίσθητο -ανεξάρτητο από μοντέλα- πείραμα στον κόσμο σχετικά με την αναζήτηση ιδιαίτερα ελαφρών σωματιδίων, από τα οποία ενδεχομένως να αποτελείται η σκοτεινή ύλη. Το όνομα του πειράματος είναι ALPS II ή το “φως που λάμπει μέσα από έναν τοίχο”. Οι υπολογισμοί προβλέπουν ότι η σκοτεινή ύλη θα πρέπει να απαντάται στο σύμπαν πέντε φορές πιο συχνά από την κανονική, ορατή ύλη. Μέχρι τώρα, ωστόσο, κανείς δεν έχει καταφέρει να εντοπίσει σωματίδια αυτής της ουσίας· τώρα το ALPS ίσως μπορέσει να μας δώσει αποδείξεις.
Το πείραμα ALPS (Any Light Particle Search), το οποίο εκτείνεται σε μήκος 250 μέτρων, ψάχνει για ένα νέο -ιδιαιτέρως ελαφρύ- στοιχειώδες σωμάτιο. Η διεθνής ερευνητική ομάδα, χρησιμοποιεί είκοσι τέσσερις ανακυκλωμένους (από τον επιταχυντή HERA) υπεραγώγιμους μαγνήτες, μια ισχυρή δέσμη λέιζερ, συμβολομετρία ακριβείας και εξαιρετικά ευαίσθητους ανιχνευτές, για να αναζητήσει αξιόνια ή σωματίδια παρόμοια με αυτά.
Τα σωματίδια αυτά πιστεύεται ότι αντιδρούν ασθενώς μόνο, με τα γνωστά είδη ύλης, κάτι που σημαίνει ότι δεν μπορούν να ανιχνευθούν σε πειράματα με επιταχυντές. Ως εκ τούτου, το ALPS καταφεύγει σε μια εντελώς διαφορετική αρχή για να τα ανιχνεύσει: τα φωτόνια -δηλαδή τα σωματίδια φωτός- που βρίσκονται μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, θα μπορούσαν να μετατραπούν σε αυτά τα μυστηριώδη στοιχειώδη σωματίδια, και στην συνέχεια να γίνουν φως ξανά.
«Η ιδέα για ένα πείραμα όπως το ALPS υπάρχει για περισσότερα από 30 χρόνια. Χρησιμοποιώντας εξαρτήματα και την υποδομή του πρώην επιταχυντή HERA, μαζί με τεχνολογίες αιχμής, είμαστε πλέον σε θέση να υλοποιήσουμε το ALPS II με μια διεθνή συνεργασία», λέει η Beate Heinemann, Διευθύντρια Σωματιδιακής Φυσικής στο DESY.
Ο Helmut Dosch, Πρόεδρος του Διοικητικού Συμβουλίου του DESY, προσθέτει, «Το DESY έχει αναλάβει το έργο της αποκωδικοποίησης της ύλης σε όλες τις διαφορετικές μορφές της. Έτσι, το ALPS II ταιριάζει απόλυτα στην ερευνητική μας στρατηγική, και ίσως μπορέσει να ανοίξει την πόρτα για την σκοτεινή ύλη.»
Η ομάδα ALPS στέλνει μια υψηλής έντασης δέσμη λέιζερ κατά μήκος μιας συσκευής που ονομάζεται οπτικός συντονιστής σε έναν σωλήνα κενού, με μήκος περίπου 120 μέτρα, μέσα στον οποίο η δέσμη ανακλάται πίσω-εμπρός. Η όλη διάταξη περικλείεται από δώδεκα μαγνήτες, του πρώην HERA, διατεταγμένους σε ευθεία γραμμή. Εάν, μέσα σε αυτό το ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ένα φωτόνιο μετατρεπόταν σε αξόνιο, τότε το αξιόνιο θα περνούσε μέσα από το αδιαφανές πέτασμα στο τέλος της διάταξης.
Μετά το πέτασμα, το αξιόνιο θα έμπαινε σε μια άλλη μαγνητική τροχιά σχεδόν πανομοιότυπη με την πρώτη, μέσα στην οποία θα μπορούσε να μετατραπεί ξανά σε φωτόνιο, το οποίο θα κατέγραφε ο ανιχνευτής του πειράματος. Ο δεύτερος οπτικός συντονιστής που έχει τοποθετηθεί εδώ, αυξάνει κατά 10.000 φορές την πιθανότητα επιστροφής ενός αξιονίου σε φωτόνιο.
Αυτό σημαίνει ότι εάν ανιχνεύσουμε φως πίσω από τον τοίχο, τότε κάπου στο ενδιάμεσο πρέπει να υπήρξε ένα αξιόνιο. «Ωστόσο, παρά όλα τα τεχνικά μας κόλπα, η πιθανότητα ένα φωτόνιο να μετατραπεί και πάλι πίσω σε αξιόνιο είναι πολύ μικρή», εξηγεί ο Axel Lindner του DESY, επικεφαλής του έργου και εκπρόσωπος της συνεργασίας ALPS, «η ίδια με το να ρίξουμε 33 ζάρια και να δείξουν όλα τον ίδιο αριθμό.”
Για να μπορέσει να λειτουργήσει το πείραμα, οι ερευνητές έπρεπε να ρυθμίσουν όλα τα διαφορετικά εξαρτήματα της συσκευής στη μέγιστη δυνατή απόδοση. Ο ανιχνευτής φωτός είναι τόσο ευαίσθητος που μπορεί να ανιχνεύσει ένα μόνο φωτόνιο ανά ημέρα. Η ακρίβεια του συστήματος των κατόπτρων για το φως αποτελεί επίσης ρεκόρ: η απόσταση μεταξύ των κατόπτρων πρέπει να παραμένει σταθερή με ακρίβεια καλύτερη από μία ατομική διάμετρο.
Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες -ο καθένας με μήκος εννέα μέτρων- δημιουργούν στον σωλήνα κενού ένα μαγνητικό πεδίο με τιμή 5,3 Tesla· 100.000 φορές πιο ισχυρό από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Οι μαγνήτες ελήφθησαν από τον 6,3 χιλιομέτρων δακτύλιο πρωτονίων του επιταχυντή HERA και στην αρχική τους μορφή ήταν καμπύλοι στο εσωτερικό. Για το πείραμα ALPS έπρεπε να ισιωθούν ώστε να μπορούν να αποθηκεύουν περισσότερο φως λέιζερ, λειτουργώντας κάτω από υπεραγώγιμες συνθήκες στους μείον 269 βαθμούς Κελσίου.
Το ALPS αρχικά προτάθηκε από τον θεωρητικό του DESY Andreas Ringwald, ο οποίος με τους υπολογισμούς του για την επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου έδωσε το θεωρητικό κίνητρο για το πείραμα. Ο Ringwald λέει, «Για το ALPS συνεργάστηκαν πολύ στενά πειραματικοί και θεωρητικοί φυσικοί. Το αποτέλεσμα είναι ένα πείραμα που έχει μία μοναδική δυνατότητα να ανακαλύψει αξιόνια, τα οποία θα μπορούσαμε να τα χρησιμοποιήσουμε, τελικά, ακόμη και για να αναζητήσουμε υψηλής συχνότητας βαρυτικά κύματα.»
Τα πρώτα αποτελέσματα από το ALPS αναμένεται να δημοσιευθούν το 2024. Ο Lindner είναι πεπεισμένος πως «Ακόμα και να μην βρούμε σωματίδια φωτός με το ALPS, το πείραμα θα μετατοπίσει τα όρια αποκλεισμού για τα υπερελαφριά σωματίδια κατά έναν παράγοντα ίσο με 1000.»
Οι ερευνητές κάνουν ήδη σχέδια για το τι θα ακολουθήσει την τρέχουσα αναζήτησή τους για αξιόνια. Για παράδειγμα, θα ήθελαν να χρησιμοποιήσουν το ALPS για να ανακαλύψουν εάν ένα μαγνητικό πεδίο επηρεάζει τη διάδοση του φωτός στο κενό, όπως είχε προβλεφθεί πριν από δεκαετίες από τους Euler και Heisenberg. Οι ερευνητές, επίσης, θέλουν να χρησιμοποιήσουν την πειραματική διάταξη για να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα υψηλής συχνότητας.
Τι είναι τα αξιόνια;
Τα αξιόνια είναι υποθετικά στοιχειώδη σωματίδια. Αποτελούν τμήμα ενός μηχανισμού που διατυπώθηκε από τον θεωρητικό φυσικό Roberto Peccei και τη συνάδελφό του Helen Quinn το 1977, προκειμένου να λύσουν ένα πρόβλημα σχετικά με την ισχυρή αλληλεπίδραση· μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Το 1978, οι θεωρητικοί φυσικοί Frank Wilczek και Steven Weinberg συνέδεσαν ένα νέο σωματίδιο με αυτόν τον μηχανισμό Peccei-Quinn.
Δεδομένου ότι αυτό το σωματίδιο θα “καθάριζε” τη θεωρία, ο Wilczek το ονόμασε “axion” από ένα απορρυπαντικό. Αρκετές διαφορετικές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής προβλέπουν την ύπαρξη αξιονίων ή σωματιδίων που μοιάζουν με τα αξιόνια. Εάν υπάρχουν, θα μπορούσαν να λύσουν μια ολόκληρη σειρά από προβλήματα που απασχολούν επί του παρόντος τους φυσικούς (συμπεριλαμβανομένου του να είναι υποψήφια ως τα δομικά στοιχεία της σκοτεινής ύλης). Σύμφωνα με τους τρέχοντες υπολογισμούς, η σκοτεινή ύλη πρέπει να είναι πέντε φορές, περίπου, πιο άφθονη στο σύμπαν από την κανονική.
Πηγή: https://www.desy.de/
