Un „radio cosmic” ar putea conecta în curând oamenii de știință la materia întunecată!

Timp de decenii, materia întunecată a rămas unul dintre cele mai mari mistere ale universului. Deși reprezintă aproximativ 27% din compoziția universului, ne este imposibil să o observăm direct. Natura sa rămâne evazivă, dar o descoperire științifică recentă ar putea schimba în curând acest lucru. Un grup de cercetători a dezvoltat o tehnologie inovatoare care ar putea detecta axionii, particule ipotetice adesea citate drept principali candidați pentru explicarea materiei întunecate. Dacă această metodă funcționează, ar putea deveni cel mai precis instrument conceput vreodată pentru a rezolva această enigmă cosmică. Tehnologia a fost prezentată într-un articol publicat în Nature.

Înainte de a intra în detaliile acestei tehnologii, să ne reamintim pe scurt ce este materia întunecată. Deși nu este direct observabilă, oamenii de știință știu că există datorită efectelor sale gravitaționale asupra materiei vizibile, cum ar fi galaxiile și stelele. Aproximativ 27% din compoziția universului este alcătuită din materie întunecată, care rămâne invizibilă pentru ochii și instrumentele noastre. Se pare că nu interacționează cu lumina (sau cu orice alt tip de radiație electromagnetică), ceea ce face extrem de dificil de detectat prin metodele convenționale utilizate pentru observarea universului.

Prin urmare, pentru a rezolva acest mister, cercetătorii se concentrează pe detectarea particulelor specifice care ar putea constitui această materie întunecată. Unul dintre principalii candidați este axionul, o particulă ipotetică. Acești axioni ar fi foarte ușori, ar interacționa slab și ar fi dificil de detectat, dar ar putea reprezenta o mare parte a materiei întunecate. Principala provocare în detectarea lor constă în faptul că emit semnale extrem de slabe, ceea ce face ca identificarea lor să fie deosebit de dificilă.

Aici intervine noua tehnologie dezvoltată de o echipă de cercetători, în principal de la King’s College London. Acești oameni de știință au conceput un dispozitiv inovator care folosește cvasiparticule axionice, care ar putea deveni cel mai eficient instrument conceput vreodată pentru detectarea materiei întunecate. Dar ce este o cvasiparticulă? O cvasiparticulă este un concept care descrie comportamentul colectiv al particulelor care interacționează, ca și cum grupul ar acționa ca o singură particulă. În acest caz, cercetătorii au folosit un material special, telurură de bismut și mangan, cunoscută pentru proprietățile sale electronice și magnetice unice, pentru a crea o cvasiparticulă axionică. Această cvasiparticulă ar putea detecta axionii prin emiterea unor cantități mici de lumină la o frecvență extrem de precisă. Cercetătorii explică faptul că această cvasiparticulă axionică ar funcționa ca un „radio cosmic”, adaptându-se la frecvența axionilor. Totuși, cea mai mare provocare rămâne a cunoaște la ce frecvență precisă vibrează axionii. E cam ca și cum ai căuta un post de radio într-o țară străină: trebuie să încerci mai multe frecvențe pentru a o găsi pe cea potrivită. Odată ce detectorul este „reglat” la frecvența corectă, acesta poate detecta semnale slabe, potențial legate de prezența axionilor.

Până acum, căutarea axionilor a întâmpinat un obstacol major: aceste particule, extrem de mici și care interacționează slab cu materia, sunt aproape imposibil de detectat cu tehnologiile tradiționale. Totuși, dezvoltarea acestei noi tehnologii ar putea schimba totul. Prin utilizarea cvasiparticulelor axionice, cercetătorii speră să poată capta semnale axionice cu o precizie fără precedent. Detectorul va funcționa la frecvențe foarte înalte, în domeniul terahertz, ceea ce este deosebit de promițător pentru căutarea axionilor. Mulți oameni de știință cred că aceste frecvențe dețin cheia rezolvării misterului materiei întunecate. Dacă axionii există și frecvența lor se încadrează în acest interval, această tehnologie ar putea deveni cea mai fiabilă modalitate de a-i detecta.

Cercetătorii sunt optimiști, dar știu și că această căutare va necesita timp. Se așteaptă ca proiectul de dezvoltare a detectorului de materie întunecată să aibă ca rezultat un prototip operațional până în 2030. Însă căutarea axionilor abia acum începe. Dacă prototipul funcționează, va mai dura câțiva ani pentru a proiecta o versiune la scară mare capabilă să efectueze experimente la scară largă. Se estimează că va fi nevoie de 15 ani pentru a exploata pe deplin această metodă și, probabil, pentru a realiza detectarea pozitivă a axionilor.

Acestea fiind spuse, cercetătorii rămân entuziasmați de posibilitatea detectării materiei întunecate cu mult înainte de 2030. Dar chiar dacă echipa nu reușește să detecteze axionii, cercetările lor ne vor ajuta să înțelegem mai bine acest fenomen misterios și să clarificăm următorii pași în căutarea materiei întunecate.

Detectarea axionilor ar putea avea implicații mult mai profunde decât simpla identificare a materiei întunecate. Într-adevăr, aceste particule sunt considerate potențiale soluții la alte puzzle-uri cosmice. De exemplu, unii oameni de știință cred că ar putea explica fenomene precum energia întunecată, forța misterioasă care accelerează expansiunea universului. Mai mult, axionii ar putea oferi răspunsuri la întrebări fundamentale despre formarea universului în sine. Totuși, nici măcar o descoperire pozitivă a axionilor nu ar oferi răspunsuri simple și imediate. Dacă se găsesc axioni, este posibil să existe mai multe tipuri de axioni, fiecare jucând un rol diferit în univers. Cercetătorii vor trebui apoi să investigheze pentru a înțelege originea, funcția și relația lor cu alte fenomene cosmice.

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România