Jednym z najważniejszych celów badań naukowych dwudziestego pierwszego wieku jest poszukiwanie ciemnej materii. Chociaż to bardzo trudne zadanie, naukowcy wciąż odnajdują nowe sposoby na poznanie tej tajemniczej cząstki. Jak blisko rozwiązania tej zagadki jesteśmy obecnie?
Pod koniec lutego bieżącego roku zespół badaczy z Uniwersytetu w Queensland opublikował wyniki prac nad udoskonaleniem metod poszukiwania ciemnej materii w badaniach mikroskopowych. Materia, jaką znamy składa się z cząstek elementarnych opisanych w Modelu Standardowym, czyli jednej z najważniejszych teorii współczesnej fizyki.
Od czasu powstania modelu standardowego w latach siedemdziesiątych dwudziestego wieku, większość jego przewidywań została potwierdzona doświadczalnie a dwa tysiące dwunastym roku odkryto długo poszukiwany Bozon Higgsa. Był to efekt eksperymentów prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERNIE, gdzie naukowcy wciąż poszukują kolejnych nieznanych nam cząstek. Wielki Zderzacz Hadronów to obecnie najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek i to z jego pomocą badacze mieli odkryć, czym dokładnie jest ciemna materia.
Jednak jak twierdzą naukowcy z Queensland, udało im się znaleźć inną, potencjalnie bardziej precyzyjną metodę poszukiwania ciemnej materii, która do tego nie wymaga użycia zderzacza cząstek.
Nowa metoda opiera się na precyzyjnych pomiarach zmian w strukturze atomowej na niskich poziomach energetycznych w atomie cezu. W trakcie badań, liderka zespołu doktor Jacinda Ginges określiła strukturę magnetyczną jądra atomu cezu oraz jego oddziaływania z mionem – nietrwałą cząstką elementarną należącą do grupy leptonów. Jak wyjaśnia, mion to po prostu bardzo ciężki elektron. Jest dwieście razy bardziej masywny, przez co orbituje wokół jądra dwieście razy bliżej niż elektrony.
Dzięki tej wiedzy badacze mogą z niezwykłą precyzją określić minimalne zmiany w strukturze badanego jądra atomowego. Według badaczy ta metoda ma być nawet bardziej precyzyjna niż dotychczasowe próby odnalezienia niepoznanych dotąd cząstek na wysokich poziomach energetycznych przy pomocy zderzacza hadronów. Powstały w ten sposób ultra dokładny ‘mikroskop’ pozwala na odkrycie prawdziwej natury atomów. Badacze widzą w tej metodzie szansę na dalsze udoskonalanie technologii, których używamy na co dzień, takich jak na przykład systemy GPS.
Jednak ich głównym celem wciąż pozostaje poznanie tajemniczej cząstki, która według zdecydowanej większości przedstawicieli środowiska naukowego tworzy od siedemdziesięciu pięciu do dziewięćdziesięciu pięciu procent masy i energii całego wszechświata. W ciągu ostatnich lat powstało bardzo wiele badań na jej temat.
Wiele aspektów dotyczących ciemnej materii to kwestie sporne, łącznie z samym jej istnieniem.
Obserwacje efektu soczewkowania grawitacyjnego umożliwiły z czasem określenie prawdopodobnego rozkładu nieobserwowanej materii, co przekonało do teorii o jej istnieniu większość środowiska naukowego. Jednak niewielki odsetek ekspertów odrzuca teorię ciemnej materii bazując na analizie badań obserwacyjnych galaktyk. Według nich ciemna materia, czyli brakujący element pomiędzy przewidywaniami a obserwacjami, jest wynikiem błędnych obliczeń mas galaktyk i ograniczonych możliwości obserwacji odległych obiektów. Wyjaśnia to między innymi teoria zmodyfikowanej mechaniki newtonowskiej, która zakłada, że grawitacja na dużych odległościach działa inaczej niż wynikałoby to z klasycznej mechaniki. Według innych naukowców, galaktyki są otoczone przez niewidoczne dla nas halo zawierające tę brakującą masę i wcale nie potrzeba ciemnej energii, aby wytłumaczyć jak zbudowany jest wszechświat.
Tak długo, jak nie odnajdziemy brakujących elementów układanki, tak długo będzie trwał spór o istnienie ciemnej materii.
Na szczęście naukowcy aktywnie poszukują nieodkrytych dotąd cząstek i co jakiś czas dostarczają nam nowych informacji na ich temat. W dwa tysiące dwudziestym pierwszym roku zespół badaczy z Uniwersytetu w Sussex opublikował wyniki swojej pracy nad określeniem potencjalnej masy ciemnej materii. Wcześniejsze założenia zakładały, że masa takiej cząstki musi wynosić od dziesięciu do minus dwudziestej czwartej elektronowolta do dziesięciu do dziewiętnastej gigaelektronowolta. Zakres masy określony przez naukowców z Sussex to od dziesięciu do minus trzeciej do dziesięciu do siódmej elektronowolta.
Była to pierwsza próba wykorzystania tego, co wiemy na temat grawitacji kwantowej do określenia potencjalnej masy ciemnej materii. Dodatkowo, badacze wykluczyli dotychczasowe założenie, że cząstki budujące ciemną materię są albo ekstremalnie ciężkie albo przeciwnie – ekstremalnie lekkie, chyba że oprócz grawitacji oddziaływuje na nie jeszcze jedna, nieznana siła. Takie zawężenie pola poszukiwań może pomóc badaczom w zrozumieniu jak działa ciemna materia i w jakich rejonach kosmosu można ją znaleźć.
Według naukowców z Uniwersytetu w Ohio, egzoplanety mogą być jednym z takich miejsc. Jak twierdzi współautor pracy, doktor Jurij Smirnow, grawitacja egzoplanet pochłania ciemną materię, która przenika do ich jądra, gdzie zostaje zniszczona i uwalnia swoją energię w postaci ciepła. Ważną rolę w zmierzeniu tego efektu może odegrać kosmiczny teleskop Jamesa Webb’a, oczywiście zakładając, że efekt ten istnieje i rzeczywiście bierze w nim udział ciemna materia. Oprócz już skatalogowanych pięciu tysięcy egzoplanet, na odkrycie czeka jeszcze około trzystu miliardów, więc naukowcy będą mieli w czym wybierać. Autorzy pracy sugerują, że dobrym celem do tego typu obserwacji mogą być planety, które już nie orbitują wokół swoich gwiazd macierzystych. Brak promieniowania gwiazdy wyeliminowałby ewentualne zakłócenia, które mogłyby ukryć efekt pochłaniania ciemnej materii. Kolejna zaletą tej metody jest to, że nie wymaga ona użycia żadnych instrumentów, których jeszcze nie stworzyliśmy. Wszystko, co potrzebne do skorzystania z niej już mamy.
