Nawet dziś po wiekach badań kosmosu, nasza wiedza na jego temat 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 wypełniającą kosmos tzw. ciemną materię, która nie oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym. Choć jest ona niewidzialna dla teleskopów, to jej grawitacyjny wpływ na Wszechświat jest kluczowy. Gdyby nie było jej we Wszechświecie, nigdy nie powstałyby galaktyki, gwiazdy czy planety.

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).

Międzynarodowy zespół naukowców, w skład którego wchodzi prof. Szymon Pustelny z Uniwersytetu Jagiellońskiego, w prestiżowym piśmie "Nature" opublikował wyniki najnowszych poszukiwań ciemnej materii. „Choć zespołowi nie udało się jej bezpośrednio wykryć, badacze osiągnęli coś, co dotąd wydawało się niemożliwe: w warunkach laboratoryjnych pobili precyzję pomiarów wynikającą z obserwacji kosmosu” - informuje w prasowym komunikacie Uniwersytet Jagielloński.

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 jednoczesne drgnięcie „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” - czytamy w prasowym komunikacie UJ.

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.

Opublikowane wyniki otwierają drogę do kolejnych eksperymentów, które być może wkrótce pozwolą nam zrozumieć, z czego składa się większość Wszechświata. Badacze planują budowę jeszcze czulszych sieci, które mogłyby wykrywać sygnały pochodzące z najbardziej gwałtownych zdarzeń w kosmosie, takich jak zderzenia czarnych dziur.

Prof. Szymon Pustelny realizował będzie badania nad ciemną materią także w ramach polsko-amerykańskiego projektu finansowanego z programu Fulbright STEM Impact Award. (PAP)

Nauka w Polsce

ekr/ agt/