Η σκοτεινή ύλη στην πόρτα της ανθρωπότητας - Οι επιστήμονες βρήκαν τρόπο να την ανιχνεύσουν με πρωτοφανή ακρίβεια: χρησιμοποιώντας πυρηνικά ρολόγια!
Εδώ και σχεδόν 100 χρόνια, οι επιστήμονες προσπαθούν να ξεκλειδώσουν το μυστικό της σκοτεινής ύλης – εκείνου του αόρατου υλικού που, όπως πιστεύεται, συνιστά περίπου το 80% της μάζας του σύμπαντος και παίζει κρίσιμο ρόλο στην εξήγηση πλήθους φυσικών φαινομένων.
Η αναζήτηση της συνέχιζε με ποικιλία προσεγγίσεων: από πειράματα σε επιταχυντές σωματιδίων για τη δημιουργία σκοτεινής ύλης, μέχρι την ανάλυση της κοσμικής ακτινοβολίας που ενδεχομένως εκπέμπεται από αυτήν στο διαστημικό κενό.
Ωστόσο, ακόμα και σήμερα, τα βασικά χαρακτηριστικά αυτού του μυστηριώδους υλικού παραμένουν σχεδόν άγνωστα.
Θεωρείται ότι η σκοτεινή ύλη επηρεάζει την κανονική ύλη, αλλά αυτή η επιρροή είναι τόσο αδύναμη, που δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα.
Ωστόσο, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η δημιουργία ατομικών (πυρηνικών) ρολογιών που χρησιμοποιούν τον ατομικό πυρήνα για να μετρήσουν τον χρόνο με απαράμιλλη ακρίβεια θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση ακόμα και των μικρότερων ιχνών της σκοτεινής ύλης.
Πέρυσι, φυσικοί από τη Γερμανία και τις ΗΠΑ σημείωσαν σημαντική πρόοδο στην ανάπτυξη αυτών των ρολογιών, χρησιμοποιώντας το ραδιενεργό στοιχείο θόριο-229.
Όταν οι θεωρητικοί φυσικοί από το Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann έμαθαν για αυτή την ανακάλυψη, είδαν μια νέα ευκαιρία για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, ακόμα κι αν τα πλήρως λειτουργικά ατομικά ρολόγια δεν είχαν ακόμα κατασκευαστεί.
Μαζί με τους Γερμανούς συναδέλφους τους, δημοσίευσαν μια έρευνα σε ένα από τα κορυφαία φυσικά περιοδικά, προτείνοντας έναν νέο τρόπο για να αποκαλύψουν την επίδραση της σκοτεινής ύλης στις ιδιότητες του πυρήνα του θορίου-229.
Ο ατομικός πυρήνας, όπως μια κούνια, έχει μια συγκεκριμένη συχνότητα ταλάντωσης, γνωστή ως «συχνότητα συντονισμού», στην οποία μπορεί να «ταλαντωθεί» ανάμεσα σε δύο κβαντικά στάδια — το βασικό και το υψηλής ενέργειας.
Για τα περισσότερα υλικά, αυτή η συχνότητα είναι εξαιρετικά υψηλή και απαιτεί ισχυρή ακτινοβολία για να την ενεργοποιήσει.
Ωστόσο, από το 1976, έχει αποδειχθεί ότι το θόριο-229 είναι εξαίρεση: η συχνότητα συντονισμού του είναι αρκετά χαμηλή, ώστε να μπορεί να ελεγχθεί με τυπικούς λέιζερ και αδύναμο υπεριώδες φως.
Αυτή η ανακάλυψη έκανε το θόριο-229 ιδανικό υλικό για τη δημιουργία ατομικών ρολογιών, όπου ο χρόνος μετριέται από τις «ταλαντώσεις» του πυρήνα, όπως ένα εκκρεμές σε μηχανικά ρολόγια.
Ένας από τους ερευνητές σημείωσε ότι τα ατομικά ρολόγια θα μπορούσαν να γίνουν το ιδανικό εργαλείο για την ανίχνευση δυνάμεων, 10 τρισεκατομμύρια φορές πιο αδύναμες από τη βαρύτητα, με ακρίβεια που ξεπερνά 100.000 φορές τις δυνατότητες των σημερινών ανιχνευτών σκοτεινής ύλης.
Ωστόσο, η ανάπτυξη των ατομικών ρολογιών αντιμετώπισε δυσκολίες στα αρχικά στάδια, λόγω της ανάγκης για ακριβείς μετρήσεις της συχνότητας συντονισμού του θορίου-229.
Για να γίνει αυτό, οι φυσικοί στέλνουν μια ακτίνα λέιζερ με διάφορες συχνότητες στον πυρήνα και παρακολουθούν πόση ενέργεια απορροφά ή εκπέμπει όταν μεταβαίνει μεταξύ των κβαντικών καταστάσεων.
Από αυτά τα δεδομένα κατασκευάζεται το φάσμα απορρόφησης, και η συχνότητα με την μέγιστη απορρόφηση θεωρείται ως συντονιστική.
Για σχεδόν μισό αιώνα, οι επιστήμονες δεν κατάφεραν να επιτύχουν την απαραίτητη ακρίβεια στις μετρήσεις για να δημιουργήσουν ατομικά ρολόγια.
Ωστόσο, το 2024 σημειώθηκαν σημαντικά βήματα προόδου.
Αρχικά, η γερμανική ομάδα από το Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας δημοσίευσε σχετικά ακριβή δεδομένα, και στη συνέχεια οι Αμερικανοί συνάδελφοί τους από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο παρουσίασαν αποτελέσματα που ήταν εκατομμύρια φορές πιο ακριβή.
Ένας από τους συγγραφείς της μελέτης εξήγησε ότι για να δημιουργηθούν πλήρη ατομικά ρολόγια απαιτείται ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια, αλλά ήδη τώρα ανοίγονται νέες δυνατότητες για την μελέτη της σκοτεινής ύλης.
Ο ίδιος πρόσθεσε ότι σε έναν κόσμο που αποτελείται μόνο από ορατή ύλη, τα φυσικά χαρακτηριστικά και το φάσμα απορρόφησης οποιουδήποτε υλικού θα παρέμεναν αμετάβλητα.
Ωστόσο, η παρουσία της σκοτεινής ύλης, η οποία διαθέτει κυματική φύση, μπορεί να προκαλέσει μικρές αλλαγές στη μάζα των ατομικών πυρήνων, κάτι που οδηγεί σε μετατόπιση στο φάσμα απορρόφησης.
Οι ερευνητές υποθέτουν ότι η ικανότητα να καταγράφουν με ακρίβεια αυτές τις μετατοπίσεις στο φάσμα του θορίου-229 μπορεί να βοηθήσει στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης και στην μελέτη των χαρακτηριστικών της.
Οι θεωρητικοί υπολογισμοί που πραγματοποιήθηκαν από την ομάδα των επιστημόνων έδειξαν ότι οι νέες μετρήσεις μπορούν να εντοπίσουν την επίδραση της σκοτεινής ύλης, ακόμα κι αν αυτή είναι 100 εκατομμύρια φορές πιο αδύναμη από τη βαρύτητα — μια δύναμη που από μόνη της είναι εξαιρετικά μικρή.
Ένας από τους συμμετέχοντες στην έρευνα σημείωσε ότι αυτή η περιοχή της έρευνας ήταν ανέκαθεν αχαρτογράφητη και επεσήμανε ότι για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης δεν αρκεί απλώς η καταγραφή των μετατοπίσεων στη συντονιστική συχνότητα.
Θα πρέπει να αναλύονται οι αλλαγές σε ολόκληρο το φάσμα απορρόφησης για να αποκαλυφθούν τα ίχνη της σκοτεινής ύλης.
Αν και προς το παρόν τέτοιες αλλαγές δεν έχουν εντοπιστεί, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει τη βάση για την μελέτη τους στο μέλλον.
Εν τω μεταξύ, τα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο συνεχίζουν να βελτιώνουν τις μεθόδους μέτρησης της συχνότητας συντονισμού του θορίου-229, και αυτή η διαδικασία αναμένεται να διαρκέσει μερικά ακόμη χρόνια.
Αν τα ατομικά ρολόγια κατασκευαστούν τελικά, θα μπορούσαν να αλλάξουν ριζικά πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένων της ναυσιπλοΐας στη Γη και αεροπλοΐας στο διάστημα, των συστημάτων επικοινωνίας, της διαχείρισης των ενεργειακών δικτύων και των επιστημονικών ερευνών.
Σήμερα, τα πιο ακριβή όργανα μέτρησης του χρόνου είναι τα ατομικά ρολόγια, τα οποία χρησιμοποιούν τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ των κβαντικών καταστάσεων.
Διαθέτουν υψηλή ακρίβεια, αλλά έχουν το μειονέκτημα ότι είναι ευαίσθητα σε ηλεκτρικές παρεμβολές από το περιβάλλον, κάτι που μπορεί να επηρεάσει τη σταθερότητά τους.
Αντίθετα, τα ατομικά ρολόγια είναι πολύ λιγότερο επιρρεπή σε τέτοιες επιδράσεις.
Σύμφωνα με μία από τις κορυφαίες θεωρίες, η σκοτεινή ύλη αποτελείται από πλήθος σωματίδια, το καθένα από τα οποία είναι εκατομμύρια φορές ελαφρύτερο από το ηλεκτρόνιο.
Ένας από τους ερευνητές σημείωσε ότι τα ατομικά ρολόγια βασισμένα στο θόριο-229 θα μπορούσαν να γίνουν το ιδανικό εργαλείο για την ανίχνευσή της, καθώς οι ηλεκτρικές παρεμβολές περιορίζουν τις δυνατότητες των ατομικών ρολογιών σε τέτοιες πειράματα.
Προσέθεσε ότι τα ατομικά ρολόγια θα επέτρεπαν την καταγραφή απίστευτα μικρών αποκλίσεων στη λειτουργία τους, όπως οι μικροσκοπικές μετατοπίσεις στη συντονιστική συχνότητα, οι οποίες θα μπορούσαν να υποδεικνύουν την επίδραση της σκοτεινής ύλης.
Οι εκτιμήσεις τους δείχνουν ότι αυτό θα εξασφάλιζε την ανίχνευση δυνάμεων, 10 τρισεκατομμύρια φορές πιο αδύναμες από τη βαρύτητα, με ακρίβεια 100.000 φορές μεγαλύτερη από τις δυνατότητες των σύγχρονων μεθόδων ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης.
Για την περαιτέρω ανάπτυξη αυτής της ερευνητικής κατεύθυνσης, η Ευρωπαϊκή Ερευνητική Επιτροπή έχει χορηγήσει σημαντική χρηματοδότηση, κάτι που υπογραμμίζει τη σημασία του έργου. Στην εργασία συμμετείχαν επίσης ειδικοί από το Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας της Γερμανίας, το Πανεπιστήμιο Leibniz του Αννόβερου και άλλους επιστημονικούς φορείς.
www.bankingnews.grr
Η αναζήτηση της συνέχιζε με ποικιλία προσεγγίσεων: από πειράματα σε επιταχυντές σωματιδίων για τη δημιουργία σκοτεινής ύλης, μέχρι την ανάλυση της κοσμικής ακτινοβολίας που ενδεχομένως εκπέμπεται από αυτήν στο διαστημικό κενό.
Ωστόσο, ακόμα και σήμερα, τα βασικά χαρακτηριστικά αυτού του μυστηριώδους υλικού παραμένουν σχεδόν άγνωστα.
Θεωρείται ότι η σκοτεινή ύλη επηρεάζει την κανονική ύλη, αλλά αυτή η επιρροή είναι τόσο αδύναμη, που δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα.
Ωστόσο, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η δημιουργία ατομικών (πυρηνικών) ρολογιών που χρησιμοποιούν τον ατομικό πυρήνα για να μετρήσουν τον χρόνο με απαράμιλλη ακρίβεια θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση ακόμα και των μικρότερων ιχνών της σκοτεινής ύλης.
Πέρυσι, φυσικοί από τη Γερμανία και τις ΗΠΑ σημείωσαν σημαντική πρόοδο στην ανάπτυξη αυτών των ρολογιών, χρησιμοποιώντας το ραδιενεργό στοιχείο θόριο-229.
Όταν οι θεωρητικοί φυσικοί από το Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann έμαθαν για αυτή την ανακάλυψη, είδαν μια νέα ευκαιρία για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, ακόμα κι αν τα πλήρως λειτουργικά ατομικά ρολόγια δεν είχαν ακόμα κατασκευαστεί.
Μαζί με τους Γερμανούς συναδέλφους τους, δημοσίευσαν μια έρευνα σε ένα από τα κορυφαία φυσικά περιοδικά, προτείνοντας έναν νέο τρόπο για να αποκαλύψουν την επίδραση της σκοτεινής ύλης στις ιδιότητες του πυρήνα του θορίου-229.
Ο ατομικός πυρήνας, όπως μια κούνια, έχει μια συγκεκριμένη συχνότητα ταλάντωσης, γνωστή ως «συχνότητα συντονισμού», στην οποία μπορεί να «ταλαντωθεί» ανάμεσα σε δύο κβαντικά στάδια — το βασικό και το υψηλής ενέργειας.
Για τα περισσότερα υλικά, αυτή η συχνότητα είναι εξαιρετικά υψηλή και απαιτεί ισχυρή ακτινοβολία για να την ενεργοποιήσει.
Ωστόσο, από το 1976, έχει αποδειχθεί ότι το θόριο-229 είναι εξαίρεση: η συχνότητα συντονισμού του είναι αρκετά χαμηλή, ώστε να μπορεί να ελεγχθεί με τυπικούς λέιζερ και αδύναμο υπεριώδες φως.
Αυτή η ανακάλυψη έκανε το θόριο-229 ιδανικό υλικό για τη δημιουργία ατομικών ρολογιών, όπου ο χρόνος μετριέται από τις «ταλαντώσεις» του πυρήνα, όπως ένα εκκρεμές σε μηχανικά ρολόγια.
Ένας από τους ερευνητές σημείωσε ότι τα ατομικά ρολόγια θα μπορούσαν να γίνουν το ιδανικό εργαλείο για την ανίχνευση δυνάμεων, 10 τρισεκατομμύρια φορές πιο αδύναμες από τη βαρύτητα, με ακρίβεια που ξεπερνά 100.000 φορές τις δυνατότητες των σημερινών ανιχνευτών σκοτεινής ύλης.
Ωστόσο, η ανάπτυξη των ατομικών ρολογιών αντιμετώπισε δυσκολίες στα αρχικά στάδια, λόγω της ανάγκης για ακριβείς μετρήσεις της συχνότητας συντονισμού του θορίου-229.
Για να γίνει αυτό, οι φυσικοί στέλνουν μια ακτίνα λέιζερ με διάφορες συχνότητες στον πυρήνα και παρακολουθούν πόση ενέργεια απορροφά ή εκπέμπει όταν μεταβαίνει μεταξύ των κβαντικών καταστάσεων.
Από αυτά τα δεδομένα κατασκευάζεται το φάσμα απορρόφησης, και η συχνότητα με την μέγιστη απορρόφηση θεωρείται ως συντονιστική.
Για σχεδόν μισό αιώνα, οι επιστήμονες δεν κατάφεραν να επιτύχουν την απαραίτητη ακρίβεια στις μετρήσεις για να δημιουργήσουν ατομικά ρολόγια.
Ωστόσο, το 2024 σημειώθηκαν σημαντικά βήματα προόδου.
Αρχικά, η γερμανική ομάδα από το Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας δημοσίευσε σχετικά ακριβή δεδομένα, και στη συνέχεια οι Αμερικανοί συνάδελφοί τους από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο παρουσίασαν αποτελέσματα που ήταν εκατομμύρια φορές πιο ακριβή.
Ένας από τους συγγραφείς της μελέτης εξήγησε ότι για να δημιουργηθούν πλήρη ατομικά ρολόγια απαιτείται ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια, αλλά ήδη τώρα ανοίγονται νέες δυνατότητες για την μελέτη της σκοτεινής ύλης.
Ο ίδιος πρόσθεσε ότι σε έναν κόσμο που αποτελείται μόνο από ορατή ύλη, τα φυσικά χαρακτηριστικά και το φάσμα απορρόφησης οποιουδήποτε υλικού θα παρέμεναν αμετάβλητα.
Ωστόσο, η παρουσία της σκοτεινής ύλης, η οποία διαθέτει κυματική φύση, μπορεί να προκαλέσει μικρές αλλαγές στη μάζα των ατομικών πυρήνων, κάτι που οδηγεί σε μετατόπιση στο φάσμα απορρόφησης.
Οι ερευνητές υποθέτουν ότι η ικανότητα να καταγράφουν με ακρίβεια αυτές τις μετατοπίσεις στο φάσμα του θορίου-229 μπορεί να βοηθήσει στην ανίχνευση της σκοτεινής ύλης και στην μελέτη των χαρακτηριστικών της.
Οι θεωρητικοί υπολογισμοί που πραγματοποιήθηκαν από την ομάδα των επιστημόνων έδειξαν ότι οι νέες μετρήσεις μπορούν να εντοπίσουν την επίδραση της σκοτεινής ύλης, ακόμα κι αν αυτή είναι 100 εκατομμύρια φορές πιο αδύναμη από τη βαρύτητα — μια δύναμη που από μόνη της είναι εξαιρετικά μικρή.
Ένας από τους συμμετέχοντες στην έρευνα σημείωσε ότι αυτή η περιοχή της έρευνας ήταν ανέκαθεν αχαρτογράφητη και επεσήμανε ότι για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης δεν αρκεί απλώς η καταγραφή των μετατοπίσεων στη συντονιστική συχνότητα.
Θα πρέπει να αναλύονται οι αλλαγές σε ολόκληρο το φάσμα απορρόφησης για να αποκαλυφθούν τα ίχνη της σκοτεινής ύλης.
Αν και προς το παρόν τέτοιες αλλαγές δεν έχουν εντοπιστεί, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει τη βάση για την μελέτη τους στο μέλλον.
Εν τω μεταξύ, τα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο συνεχίζουν να βελτιώνουν τις μεθόδους μέτρησης της συχνότητας συντονισμού του θορίου-229, και αυτή η διαδικασία αναμένεται να διαρκέσει μερικά ακόμη χρόνια.
Αν τα ατομικά ρολόγια κατασκευαστούν τελικά, θα μπορούσαν να αλλάξουν ριζικά πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένων της ναυσιπλοΐας στη Γη και αεροπλοΐας στο διάστημα, των συστημάτων επικοινωνίας, της διαχείρισης των ενεργειακών δικτύων και των επιστημονικών ερευνών.
Σήμερα, τα πιο ακριβή όργανα μέτρησης του χρόνου είναι τα ατομικά ρολόγια, τα οποία χρησιμοποιούν τις ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ των κβαντικών καταστάσεων.
Διαθέτουν υψηλή ακρίβεια, αλλά έχουν το μειονέκτημα ότι είναι ευαίσθητα σε ηλεκτρικές παρεμβολές από το περιβάλλον, κάτι που μπορεί να επηρεάσει τη σταθερότητά τους.
Αντίθετα, τα ατομικά ρολόγια είναι πολύ λιγότερο επιρρεπή σε τέτοιες επιδράσεις.
Σύμφωνα με μία από τις κορυφαίες θεωρίες, η σκοτεινή ύλη αποτελείται από πλήθος σωματίδια, το καθένα από τα οποία είναι εκατομμύρια φορές ελαφρύτερο από το ηλεκτρόνιο.
Ένας από τους ερευνητές σημείωσε ότι τα ατομικά ρολόγια βασισμένα στο θόριο-229 θα μπορούσαν να γίνουν το ιδανικό εργαλείο για την ανίχνευσή της, καθώς οι ηλεκτρικές παρεμβολές περιορίζουν τις δυνατότητες των ατομικών ρολογιών σε τέτοιες πειράματα.
Προσέθεσε ότι τα ατομικά ρολόγια θα επέτρεπαν την καταγραφή απίστευτα μικρών αποκλίσεων στη λειτουργία τους, όπως οι μικροσκοπικές μετατοπίσεις στη συντονιστική συχνότητα, οι οποίες θα μπορούσαν να υποδεικνύουν την επίδραση της σκοτεινής ύλης.
Οι εκτιμήσεις τους δείχνουν ότι αυτό θα εξασφάλιζε την ανίχνευση δυνάμεων, 10 τρισεκατομμύρια φορές πιο αδύναμες από τη βαρύτητα, με ακρίβεια 100.000 φορές μεγαλύτερη από τις δυνατότητες των σύγχρονων μεθόδων ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης.
Για την περαιτέρω ανάπτυξη αυτής της ερευνητικής κατεύθυνσης, η Ευρωπαϊκή Ερευνητική Επιτροπή έχει χορηγήσει σημαντική χρηματοδότηση, κάτι που υπογραμμίζει τη σημασία του έργου. Στην εργασία συμμετείχαν επίσης ειδικοί από το Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας της Γερμανίας, το Πανεπιστήμιο Leibniz του Αννόβερου και άλλους επιστημονικούς φορείς.
www.bankingnews.grr
Σχόλια αναγνωστών