Količina gravitacije u svemiru znatno je veća od one koju bi mogla da proizvede sva poznata, vidljiva materija. Razlika nije neznatna niti je posljedica greške u mjerenju; gravitacije ima toliko više da naučnici pretpostavljaju postojanje nepoznatog izvora.
Taj izvor nazivaju tamnom materijom i procjenjuju da je ima oko pet puta više od sve obične materije. Iako bi se, prema postojećim modelima, trebalo da nalazi svuda oko nas, fizičari još uvijek ne znaju šta je tamna materija niti kako je proizvesti.
Novi teorijski rad nudi mogući odgovor na to pitanje, prenosi Science Alert.
Fizičari Stefan Evans (Stefan Evans) i Ralf Šicthold (Ralf Schützhold) iz njemačkog centra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf predlažu metodu koja se zasniva na ubrzavanju atomskih jezgara.
Njihova teorija kaže da bi jezgra, ubrzana do ekstremno visokih energija u akceleratoru, mogla da poremete kvantni vakuum i stvore parove aksiona, hipotetičkih čestica koje se smatraju jednim od kandidata za tamnu materiju.
Kako bi čestice mogle nastati iz kvantnog vakuuma?
Aksioni su hipotetičke čestice predložene prije gotovo pola vijeka, ali ne zbog tamne materije. Njihova prvobitna svrha bila je da riješe problem u kvantnoj hromodinamici (QCD), teoriji koja opisuje jaku nuklearnu silu koja vezuje kvarkove unutar protona i neutrona.
QCD predviđa određeno narušavanje simetrije koje se u prirodi ne opaža, a aksion je uveden kao mehanizam koji to objašnjava. Naknadno se pokazalo da bi svojstva aksiona mogla da odgovaraju i česticama tamne materije, što ih je učinilo dvostruko zanimljivijim za istraživanje.
Prema kvantnoj teoriji polja, prazan prostor nije zaista prazan. Kvantni vakuum ispunjen je pozadinskom aktivnošću, takozvanim vakuumskim fluktuacijama. Jedna od posljedica tih fluktuacija jeste Kazimirov efekat: dva objekta postavljena veoma blizu jedan drugom mogu da promjene energiju vakuuma između sebe i tako stvore mjerljivu silu.
Kazimirova energija između dva jezgra gvožđa, u zavisnosti od mase aksiona i njihovog međusobnog rastojanja.
Evans i Šicthold primjenjuju tu ideju na aksionsko polje. Unutar atomskog jezgra, aksioni bi, ako postoje, trebalo da imaju manju masu nego izvan njega. To znači da atomsko jezgro mijenja svojstva aksionskog polja oko sebe.
Ako se takvo jezgro naglo ubrza, poremećaj koji stvara u aksionskom polju može u njega da "ubrizga“ energiju. Taj proces, poznat kao dinamički Kazimirov efekat, može vakuumske fluktuacije da pretvori u stvarne čestice.
U ovom slučaju, energija uložena u ubrzanje jezgra pretvorila bi se u par isprepletenih aksiona. Fizičari su dinamički Kazimirov efekat već eksperimentalno potvrdili stvaranjem fotona iz vakuuma.
Kakve veze sa eksperimentom ima Unruov efekat?
Isti proces može da se opiše i kroz Unruov efekat. Prema toj teoriji, posmatrač koji se ubrzava doživljava vakuum kao da je ispunjen "toplotnom kupkom“ čestica. Iz perspektive ubrzanog jezgra, činilo bi se da je okruženo mnoštvom aksiona i da se sudara s jednim od njih. Iz perspektive posmatrača koji miruje u laboratoriji, taj bi događaj izgledao kao da je jezgro stvorilo par aksiona iz praznog prostora.
Kako provjeriti teoriju
Iako je ideja teorijska, autori smatraju da bi mogla da se testira postojećom tehnologijom. Predlažu korišćenje takozvanih ultraperifernih sudara teških jona. U takvim eksperimentima atomska jezgra, poput olovnih ili zlatnih, ubrzavaju se gotovo do brzine svjetlosti i prolaze veoma blizu jedna drugima bez direktnog sudara. Njihova snažna elektromagnetna polja međusobno djeluju i izazivaju naglo ubrzanje, što je ključan uslov koji teorija zahtijeva.
Šta je najveći problem u potrazi za aksionima?
Eksperiment ipak nosi velike izazove. Vjerovatnoća stvaranja aksiona zavisi od njihove još nepoznate mase, a njihova detekcija je izuzetno teška. Čak i ako nastanu, bilo bi ih potrebno zabilježiti pomoću veoma osjetljivih detektora, poput onih s tečnim ksenonom, i to samo ako bi se čestica kretala u pravom smjeru. Uprkos tome, ovaj rad nudi novu eksperimentalnu metodu u dugogodišnjoj potrazi za tamnom materijom.
Istraživanje je objavljeno u naučnom časopisu Physical Review D, prenosi Index.hr.
Možda vas zanima i ovo:
Naučnici "love" jednu od najvećih tajni svemira: U timu i fizičar iz Hrvatske