Ciemna materia to jedna z największych zagadek współczesnej fizyki. Choć stanowi zdecydowaną większość masy Wszechświata, pozostaje całkowicie niewidoczna dla teleskopów i wymyka się bezpośredniej detekcji. Teraz międzynarodowy zespół badaczy, w którego skład wchodzi prof. Szymon Pustelny z Uniwersytetu Jagiellońskiego, pochwalił się wynikami, które otwierają nowy rozdział w historii poszukiwań tej nieuchwytnej substancji.
Czym jest ciemna materia i dlaczego jest tak ważna?
Ciemna materia nie oddziałuje ze światłem ani żadnym innym promieniowaniem elektromagnetycznym – dlatego nie można jej zaobserwować w zwykłym teleskopie. Mimo to jej grawitacyjny wpływ na strukturę Wszechświata jest fundamentalny. Bez ciemnej materii galaktyki, gwiazdy i planety nigdy by nie powstały. Wiadomo, że istnieje, ale nie wiadomo, z czego jest zbudowana – i właśnie to stanowi sedno problemu, nad którym głowią się fizycy na całym świecie.Jedną z najbardziej intrygujących hipotez jest założenie, że ciemna materia zbudowana jest z cząstek zwanych
aksjonami. Miałyby one być miliony razy lżejsze od neutrin – najlżejszych znanych nam cząstek elementarnych. To niezwykle egzotyczna propozycja, ale zyskuje coraz więcej zwolenników wśród teoretyków.
Publikacja w Nature – co udało się osiągnąć?
Wyniki najnowszych badań zostały opublikowane w prestiżowym piśmie naukowym „Nature”. Badacze skupili się na weryfikacji jednej ze szczególnych hipotez dotyczących rozkładu ciemnej materii w kosmosie. Zakłada ona, że ciemna materia nie jest rozłożona równomiernie, lecz tworzy gigantyczne struktury przestrzenne – tzw.
defekty topologiczne, potocznie zwane „bąblami”. Ściany tych struktur (ściany domenowe) miałyby przenikać przez naszą planetę podczas jej wędrówki przez Drogę Mleczną, wywołując subtelne, mierzalne zakłócenia.Aby to sprawdzić, fizycy z chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin (USTC) oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego zbudowali sieć precyzyjnych
czujników kwantowych działających jak ultraprecyzyjne kompasy. Gdyby ściana domenowa przechodziła przez Ziemię, „igły” tych urządzeń powinny jednocześnie drgnąć w wielu odległych od siebie punktach pomiarowych. Eksperymenty prowadzono w laboratoriach oddalonych od siebie o ponad 300 km – to gwarancja, że żadne przypadkowe zakłócenie lokalne nie mogłoby wywołać jednoczesnej reakcji obu czujników.
Brak sygnału jako sukces naukowy
Przez miesiąc pomiarów czujniki nie zarejestrowały poszukiwanego sygnału. Mogłoby się wydawać, że eksperyment zakończył się niepowodzeniem. W nauce bywa jednak inaczej – brak sygnału to też wynik, i to cenny. Pozwolił on obalić jeden z ważnych modeli teoretycznych, zawężając przestrzeń możliwych właściwości ciemnej materii. Naukowcy sfalsyfikowali hipotezę, czym oddali nauce realną przysługę.
40 razy precyzyjniej niż teleskopy
Kluczowym osiągnięciem badań jest jednak co innego: zespół udowodnił, że
laboratorium na Ziemi może dostarczyć pomiarów nawet 40 razy dokładniejszych niż obserwacje astronomiczne. Do tej pory punktem odniesienia były dane kosmiczne – m.in. analiza tempa stygnięcia gwiazd oraz obserwacje wybuchu Supernowej 1987A. Teraz okazuje się, że przy zastosowaniu zaawansowanych technik filtrowania szumów (analogicznych do tych stosowanych przy detekcji fal grawitacyjnych przez detektor LIGO) i nowych czujników kwantowych możliwe jest uzyskanie precyzji niedostępnej dotąd żadnemu obserwatorium astronomicznemu.
Co dalej? Plany na przyszłość
Opublikowane wyniki otwierają drogę do kolejnych, jeszcze ambitniejszych eksperymentów. Naukowcy planują rozbudowę sieci czujników, które w przyszłości mogłyby wykrywać sygnały pochodzące z gwałtownych kosmicznych zdarzeń – takich jak zderzenia czarnych dziur. Prof. Szymon Pustelny kontynuować będzie badania nad ciemną materią również w ramach polsko-amerykańskiego projektu finansowanego z programu Fulbright STEM Impact Award.
Podsumowanie
Badania polsko-chińskiego zespołu to ważny krok naprzód w rozumieniu struktury Wszechświata. Choć ciemna materia wciąż pozostaje nieuchwytna, naukowcy udowodnili, że jej poszukiwania można prowadzić skuteczniej niż kiedykolwiek wcześniej – i to bez wychodzenia z laboratorium. Kolejne lata przyniosą zapewne dalsze zawężenie obszaru poszukiwań, a być może także bezpośrednie wykrycie tej tajemniczej substancji.
Źródło: NAUKA W POLSCE 
