Od wieków ludzkość spogląda w niebo, zadając sobie przy tym fundamentalne pytania. Jednak nawet dziś po wiekach badań, nasza wiedza na temat kosmosu pozostaje ograniczona, a pytania o to dlaczego Wszechświat rozszerza się czy dlaczego po Wielkim Wybuchu materia „wygrała” z antymaterią pozostają bez odpowiedzi.

Jedną z największych zagadek Wszechświata jest pytanie o to, czego nie widać. Wydaje się bowiem, że kosmos wypełnia tzw. ciemna materia, która nie oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym. Jednakże, choć jest ona niewidzialna dla teleskopów, jej grawitacyjny wpływ na Wszechświat jest kluczowy. Przykładowo, gdyby jej nie było we Wszechświecie, nigdy nie powstałyby galaktyki, gwiazdy czy planety. Nigdy zatem nie byłoby nas.

O ciemnej materii wiemy jednak bardzo niewiele. Nie wiemy np. z czego jest ona zbudowana. Dlatego naukowcy od lat proponują różne hipotezy. Wśród wielu pomysłów, fizycy proponują, że ciemną materię tworzą aksjony – hipotetyczne cząstki miliony razy lżejsze od najlżejszych znanych nam dziś cząstek (tj. neutrin).

W najnowszej publikacji w "Nature", pt. "Constraints on axion dark matter by distributed intercity quantum sensors" naukowcy sprawdzali "egzotyczną" hipotezę istnienia ciemnej materii. Zakłada ona, że ciemna materia nie jest rozsiana równomiernie w kosmosie, lecz tworzy gigantyczne struktury zwane defektami topologicznymi. Można je sobie wyobrazić jako niewidzialne "bąble", przez których ściany (tzw. ściany domenowe) Ziemia przelatuje podczas swojej wędrówki przez Drogę Mleczną. Co ciekawe, jeśli taka ściana istnieje, jej przejście przez naszą planetę powinno wywołać subtelny efekt, który mogłyby wychwycić naziemne czujniki.

Aby to sprawdzić, badacze z chińskiego uniwersytetu USTC oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego zbudowali sieć niezwykłych czujników kwantowych, które działają jak ultraprecyzyjne kompasy. Gdyby Ziemia przechodziła przez ścianę bąbla, "igły" tych kompasów jednocześnie "drgnęłyby" w wielu czujnikach. Opisany w pracy eksperyment przeprowadzony został w Chinach w laboratoriach odległych od siebie o przeszło 300 km. To właśnie ta odległość sprawiła, że szansa, że jednoczesne drgniecie "igieł kompasów" w eksperymentach nie mogłoby być przypadkowe.

Podczas miesięcznego pomiaru, czujniki nie zarejestrowały poszukiwanego sygnału. Mogłoby się zatem wydawać, że eksperyment poniósł porażkę. Przeciwnie wynik ten jest sukcesem, gdyż pozwolił on sprawdzić i sfalsyfikować jeden z ważnych modeli teoretycznych.

Dotychczas parametry (warunki brzegowe) pozwalające określić istnienie takich oddziaływań ustalane były na podstawie obserwacji kosmicznych, w tym słynnego wybuchu Supernowej 1987A. Co więcej, uważano, że jeśli aksjony istnieją, to ich wpływ na materię musi być słabszy niż to, co wyliczono z tempa stygnięcia gwiazd. Zespół z udziałem prof. Pustelnego udowodnił, że w laboratorium na Ziemi można dokonać pomiarów nawet 40 razy dokładniejszych niż te astronomiczne. Zastosowanie nowatorskich technik filtrowania szumów (podobnych do tych używanych przy detekcji fal grawitacyjnych LIGO) oraz wykorzystanie nowych czujników kwantowych pozwoliło na "wzmocnienie" sygnału i zbadanie parametrów modelu, których analiza nie była dotąd możliwa.

Co dalej? Wyniki opublikowane w "Nature" to drogowskaz dla fizyków: "nie szukajcie ciemnej materii w tym konkretnym miejscu, ale szukajcie dalej". Otwiera to drogę do kolejnych eksperymentów, które być może wkrótce pozwolą nam zrozumieć, z czego składa się większość Wszechświata. Badacze już planują budowę jeszcze czulszych sieci, które mogłyby wykrywać sygnały pochodzące z najbardziej gwałtownych zdarzeń w kosmosie, takich jak zderzenia czarnych dziur.

Warto przypomnieć, że prof. Szymon Pustelny realizował będzie badania nad ciemną materią także w ramach polsko-amerykańskiego projektu finansowanego z programu Fulbright STEM Impact Award.

źródło: Uniwersytet Jagielloński, www.uj.edu.pl/wiadomosci/