Materia intunecata ar putea "lumina" o oglinda sferica de 13 m2. O echipa de astrofizicieni germani pleaca la vanatoare de fotoni ascunsi

O echipa de astrofizicieni germani lucreaza la o metoda de reutilizare a unei oglinzi metalice de dimensiuni mari, construita inital ca un prototip pentru detectarea razelor cosmice, pentru a o putea utiliza la „vanatoarea” de fotoni ascunsi, scrie psysicsworld.com. Acesti veri exotici, si prin urmare invizibili, ai fotonilor obisnuiti, ar putea fi un indicator al materiei intunecate, substanta invizibila si misterioasa care pare sa reprezinte 85% din materia din univers.

Comparat cu rezervoarele de xenon racit folosite la ora actuala in diferite laboratoare sub pamant, o oglinda aparent obisnuita, fie ea si mare, nu prea ar avea de ce sa starneasca incantare.

Majoritatea experimentelor de detectare a materiei intunecate urmaresc un anumit indicator al materiei intunecate, asa numitele WIMP (weakly interacting massive particles), particule masive cu interactiune slaba, propuse de teoria supersimetriei. Acestea ar fi luat nastere in universul timpuriu cand totul exista intr-o stare de echilibru termic – totul avea aproximativ aceeasi temperatura iar particulele aveau aceleasi proprietati limitate. Racirea a oferit universului definire si diferentiere. Aceste particule interactioneaza una cu alta doar prin intermediul fortei nucleare slabe (interactiunea slaba) si a gravitatiei.

Detectorii de WIMP incearca sa capteze mica cantitate de energie emanata in coliziunile dintre presupusele particule si nucleele atomice – experimentele fiind facute, in general, in laboratoare construite la mare adancime sub pamant. Cu toate acestea, a trecut aproximativ un sfert de secol de cand primul experiment de acest tip a fost lansat si pana acum nu a fost detectat in mod clar niciun WIMP.

Experimente variate

„Interesul fata de protonii ascunsi a crescut in ultimii cativa ani”, partial pentru ca eforturile de cautare a altor candidati la materia intunecata „nu au dat rezultate”, arata Jonathan Feng de la Universitatea din California, cu sediul in Irvine. Totodata, fizicienii si-au dat seama ca pot fi proiectate mai multe tipuri de experimente pentru a incerca sa detecteze fotoni ascunsi.

Acum, Babette Dobrich si colegii sai de la DESY din Hamburg, de la Institutul pentru Tehnologie Karlsruhe si de la alte institute din Europa folosesc o portiune dintr-o oglinda sferica, metalica pentru a cauta fotoni ascunsi.

Metoda a fost sugerata in 2012 de fizicieni germani intr-o lucrare intitulata „Cautarea materiei negre reci WISP cu o antena parabolica„. Schema exploateaza faptul ca fotonii ascunsi ar interactiona cu electronii – intr-adevar, e voba de o interactiune slaba – iar atunci cand lovesc un conductor ar provoca vibratia electronilor constituenti. Aceste vibratii ar rezulta in emisia de fotoni obisnuiti.

O oglinda sferica este ideala pentru detectarea unei astfel de lumina pentru ca fotonii emisi ar fi concentrati in centrul sferei. Un receptor plasat in centru ar putea sa detecteze fotonii generati de materia intunecata, daca ar gasi frecventa – care este legata de masa fotonilor ascunsi -, oglinda si receptorul fiind protejate cat mai mult posibil de valurile electromagnetice ratacite.

Din fericire, astroficienii germani au avut la indemana o oglinda ideala, din aluminiu, de 13 metri patrati folosita in teste in timpul constructiei Observatorului Pierre Auger si gazduita de Institutul pentru Tehnologie Karlsruhe.

Dobrich si colegii sai colaboreaza cu mai multi cercetatori de la Institutul Karlsruhe, pregatind oglinda prin ajustarea fiecaruia intre cele 36 de segmente. Totodata, masoara radiatia de fundal din camera izolata in care se va desfasura experimentul.

In ceea ce priveste receptorul, optiunea cea mai buna este un set de tuburi multiplicatoare pentru masurarea luminii vizibile, care corespunde unor mase de protoni ascunsi de circa 1 eV/c2 (eV = electronvolt, c = viteza luminii in vid). O alta alegere evidenta este reprezentata de undele cu frecventa gigahert, care corespund unor mase mai mici de 0,001 eV/c2. Cu toate acestea, aceasta a doua optiune ar avea nevoie de o mai buna izolare a camerei de lucru.

Experimentul DESY/Karlsruhe, numit temporar FUNK (Finding U(1)’s of a Novel Kind), nu va fi primul care sa caute fotoni ascunsi. Proiectul CROWS (CERN Resonant WISP Search) desfasurat in laboratoarele CERN din Geneva, care functioneaza din 2011, incerca sa detecteze atat fotoni ascunsi cat si alte particule ale materiei intunecate, cu masa mica, precum axionii (particule elementare ipotetice).

Un alt proiect este Axion Dark Matter Experiment de la Universitatea din Washington cu sediul in Seattle. Desi, asa cum sugereaza numele, proiectul urmareste in principal detectarea axionilor, el poate totusi confirma existenta protonilor ascunsi.

Avantajul FUNK in fata rivalilor sai, sustine Dobrich, este ca va fi capabil sa opereze asupra unei game variate de frecvente – aceasat varietate depinzand de disponibilitatea detectorilor electromagnetici potriviti si de performanta oglinzii.

Fritz Caspers de la CERN aplauda designul „foarte dragut” al FUNK, insa este ingrijorat de cat de dificil va fi in practica izolarea oglinzii de interferentele electromagnetice.

„Diavolul sta in detalii”, spune Caspers, intrebandu-se de ce Dobrich si colegii sai nu „s-au dus direct” sa caute radiatii folosind un telescop radio cu o antena cu un diametru de circa 100m, mai degraba decat versiunea mai mica pe care o folosesc. „Poti gasi cu usurinta oglinzi mult mai mari in lume”, arata cercetatorul CERN.

Dobrich subliniaza ca, in materie de masuratori optice, oglinda de care dispun este o optiune foarte buna.

Cercetarea facuta de astrofizicienii de la Institutul pentru Tehnologie Karlsruhe a fost publicata pe arXiv.