Często piszemy o odkryciach dokonanych przez toruńskich astronomów, ale tym razem będzie o fizykach z Torunia, którzy przeprowadzili w laboratorium poszukiwania ciemnej materii.
Ciemna materia jest zagadkowym składnikiem Wszechświata. O jej istnieniu wnioskujemy na podstawie obserwacji astronomicznych, które pokazują grawitacyjne oddziaływanie ciemnej materii na materię zwykłą. Uważa się, że ciemnej materii jest kilkakrotnie więcej niż tej, którą widzimy na co dzień dookoła nas, ale jej natura nadal pozostaje zagadką dla naukowców.
Do tej pory nie udało się także zbadać ciemnej materii w warunkach laboratoryjnych. Potencjalnych cząstek elementarnych odpowiedzialnych za ciemną materię poszukuje się m.in. w eksperymentach w laboratoriach CERN (warto obejrzeć odcinek Astronarium na ten temat). Jednak fizycy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, kierowani przez dr Piotra Wcisło, mają jeszcze inny pomysł na zbadanie ciemnej materii. Po raz pierwszy wykorzystali do tego celu w sposób eksperymentalny optyczne zegary atomowe.
Jeżeli ciemna materia rzeczywiście istnieje, to istnieje pewna wartość ponad którą nie oddziałuje ze zwykłą materię. Tę wartość można spróbować zmierzyć. Wykorzystano do tego celu niezwykle precyzyjny instrument: optyczny zegar atomowy. Sposób toruńskich fizyków pozwoli sprawdzić jedną z hipotez dotyczących ciemnej materii: być może istnieją makroskopowe obiekty ciemnej materii, tzw. defekty topologiczne. Mogły one powstać we wczesnym, szybko ochładzającym się Wszechświecie. Taki defekt można sobie wyobrazić jako ścianę o nieznanej grubości, która „przelatuje” przez Wszechświat.
Jak tłumaczy dr Wcisło, jeśli taki makroskopowy obiekt ciemnej materii przemknie przez Krajowe Laboratorium FAMO w Instytucie Fizyki UMK i jeśli w jakiś sposób sprzęga się ze zwykłą materią, to optyczny zegar atomowy zacznie "tykać" minimalnie inaczej. Tego typu eksperyment był już wcześniej rozważany przez fizyków z innych krajów, ale do tej pory zakładano, że do pomiarów potrzeba dwóch zegarów atomowych, podstawowego i referencyjnego, znajdującego się bardzo daleko (np. jeden w Polsce, a drugi w Japonii).
Jednak polski fizyk wpadł na pomysł, że jako wzorzec częstości można wykorzystać także wnękę optyczną, która stanowi standardowy element zegara atomowe. Wtedy wystarczy dysponować tylko jednym zegarem. Częstotliwości światła pochłanianego przez atomy oraz przechodzącego przez wnękę zareagują na spotkanie z poszukiwanym obiektem ciemnej materii w inny sposób. Zaobserwuje się różnice dwóch częstotliwości.
Przeprowadzenie takich eksperymentów pozwoli uzyskać ograniczenia dotyczące własności ciemnej materii. Potencjalnie metoda pozwala też na rzeczywista detekcję ciemnej materii i to bez budowania specjalnych, bardzo drogich laboratoriów, a jedynie wykorzystując istniejącą już aparaturę badawczą.
Zespół badawczy z Zakładu Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej Instytutu Fizyki UMK pracuje w składzie: dr Piotr Wcisło, dr inż. Piotr Morzyński, dr Marcin Bober, dr Agata Cygan, dr hab. Daniel Lisak, prof. UMK, dr hab. Roman Ciuryło, prof. UMK oraz dr hab. Michał Zawada. Wszystkie pomiary wykonano w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) przy użyciu Polskiego Optycznego Zegara Atomowego (POZA), który został zbudowany dwa lata temu przez naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.
Fizycy z Torunia zamierzają kontynuować eksperymenty, a także podjąć pracę z innymi ośrodkami posiadającymi optyczne zegary atomowe, aby stworzyć swego rodzaju globalne obserwatorium ciemnej materii.
Wyniki badań opisano w artykule, który ukazał się w "Nature Astronomy".
Ciemna materia jest zagadkowym składnikiem Wszechświata. O jej istnieniu wnioskujemy na podstawie obserwacji astronomicznych, które pokazują grawitacyjne oddziaływanie ciemnej materii na materię zwykłą. Uważa się, że ciemnej materii jest kilkakrotnie więcej niż tej, którą widzimy na co dzień dookoła nas, ale jej natura nadal pozostaje zagadką dla naukowców.
Do tej pory nie udało się także zbadać ciemnej materii w warunkach laboratoryjnych. Potencjalnych cząstek elementarnych odpowiedzialnych za ciemną materię poszukuje się m.in. w eksperymentach w laboratoriach CERN (warto obejrzeć odcinek Astronarium na ten temat). Jednak fizycy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, kierowani przez dr Piotra Wcisło, mają jeszcze inny pomysł na zbadanie ciemnej materii. Po raz pierwszy wykorzystali do tego celu w sposób eksperymentalny optyczne zegary atomowe.
Jeżeli ciemna materia rzeczywiście istnieje, to istnieje pewna wartość ponad którą nie oddziałuje ze zwykłą materię. Tę wartość można spróbować zmierzyć. Wykorzystano do tego celu niezwykle precyzyjny instrument: optyczny zegar atomowy. Sposób toruńskich fizyków pozwoli sprawdzić jedną z hipotez dotyczących ciemnej materii: być może istnieją makroskopowe obiekty ciemnej materii, tzw. defekty topologiczne. Mogły one powstać we wczesnym, szybko ochładzającym się Wszechświecie. Taki defekt można sobie wyobrazić jako ścianę o nieznanej grubości, która „przelatuje” przez Wszechświat.
Jak tłumaczy dr Wcisło, jeśli taki makroskopowy obiekt ciemnej materii przemknie przez Krajowe Laboratorium FAMO w Instytucie Fizyki UMK i jeśli w jakiś sposób sprzęga się ze zwykłą materią, to optyczny zegar atomowy zacznie "tykać" minimalnie inaczej. Tego typu eksperyment był już wcześniej rozważany przez fizyków z innych krajów, ale do tej pory zakładano, że do pomiarów potrzeba dwóch zegarów atomowych, podstawowego i referencyjnego, znajdującego się bardzo daleko (np. jeden w Polsce, a drugi w Japonii).
Jednak polski fizyk wpadł na pomysł, że jako wzorzec częstości można wykorzystać także wnękę optyczną, która stanowi standardowy element zegara atomowe. Wtedy wystarczy dysponować tylko jednym zegarem. Częstotliwości światła pochłanianego przez atomy oraz przechodzącego przez wnękę zareagują na spotkanie z poszukiwanym obiektem ciemnej materii w inny sposób. Zaobserwuje się różnice dwóch częstotliwości.
Przeprowadzenie takich eksperymentów pozwoli uzyskać ograniczenia dotyczące własności ciemnej materii. Potencjalnie metoda pozwala też na rzeczywista detekcję ciemnej materii i to bez budowania specjalnych, bardzo drogich laboratoriów, a jedynie wykorzystując istniejącą już aparaturę badawczą.
Zespół badawczy z Zakładu Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej Instytutu Fizyki UMK pracuje w składzie: dr Piotr Wcisło, dr inż. Piotr Morzyński, dr Marcin Bober, dr Agata Cygan, dr hab. Daniel Lisak, prof. UMK, dr hab. Roman Ciuryło, prof. UMK oraz dr hab. Michał Zawada. Wszystkie pomiary wykonano w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) przy użyciu Polskiego Optycznego Zegara Atomowego (POZA), który został zbudowany dwa lata temu przez naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.
Fizycy z Torunia zamierzają kontynuować eksperymenty, a także podjąć pracę z innymi ośrodkami posiadającymi optyczne zegary atomowe, aby stworzyć swego rodzaju globalne obserwatorium ciemnej materii.
Wyniki badań opisano w artykule, który ukazał się w "Nature Astronomy".
Więcej informacji:
Źródło: UMK
Na zdjęciu:
Eksperymenty przy optycznym zegarze atomowym w Krajowym Laboratorium FAMO. Fot.: Andrzej Romański / UMK.
