Dodano: 06 wrzesień 2018r.

W poszukiwaniu ciemnego fotonu. Czy istnieje piąte oddziaływanie fundamentalne?

W Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej niedaleko Rzymu naukowcy przygotowują się do eksperymentu, który może dać odpowiedź na jedno z podstawowych pytań dotyczących natury rzeczywistości. Czy istnieje piąte, nieznane wcześniej oddziaływanie fundamentalne? Obecnie znamy cztery takie oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne oraz słabe. Hipotetyczny piąty rodzaj mógłby być tym, co łączy materię widzialną z ciemną materią, a znalezienie takiej cząstki łączącej – ciemnego fotonu – byłoby przełomem w fizyce.

 

O ciemnej materii wiadomo niewiele - tyle tylko, że stanowi ona większą część masy Wszechświata. Materia, którą jesteśmy w stanie zaobserwować - od gwiazd i galaktyk po ludzi i zwierzęta - to jedynie 5 proc. jego masy. Ciemnej materii nie jesteśmy w stanie wykryć bezpośrednio, jednak możemy dostrzec jej oddziaływanie grawitacyjne.

Podobnie jak fotony przenoszą oddziaływania elektromagnetyczne, ciemne fotony byłyby nośnikiem piątego oddziaływania fundamentalnego i wpływałyby na ciemną materię. Jednak w przeciwieństwie do fotonów, ciemne fotony posiadałyby masę. Wiedza o masie i rodzajach cząstek, na które może się rozpaść ciemny foton, dostarczyłaby pierwszego spojrzenia na to, co składa się na większość Wszechświata, który jest poza naszym postrzeganiem.

 

Polowanie na ciemny foton zacznie się w tym miesiącu we włoskim Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej. Jest tam instrument zwany PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment), który ma za zadanie wychwycić ukrytą piątą siłę. Plan zakłada bombardowanie cienkiej, diamentowej płytki wiązką cząstek zwanych pozytonami, które są antymaterialnymi wersjami elektronów.

W normalnych warunkach pozytony i elektrony anihilują się nawzajem, tworząc parę regularnych fotonów. Ale jeśli rzeczywiście istnieją ciemne fotony, to raz na jakiś czas, anihilacja pozyton-elektron powinna je wytwarzać. Wtedy zamiast dwóch fotonów pojawiłby się ciemny foton i regularny foton. I właśnie to chcą sprawdzić włoscy badacze.

Tak to już jest z ciemną materią, że nie jesteśmy w stanie jej zobaczyć. Nie ma też co oczekiwać, że badacze nagle zobaczą ciemny foton. PADME nie będzie w stanie wykryć go bezpośrednio, ale zamiast tego brakujący foton posłuży jako dowód. Byłby to zresztą dowód nie tylko istnienia ciemnego fotonu, ale także piątego oddziaływania fundamentalnego.

- W tej chwili nie wiemy, z czego składa się większość Wszechświata. Jeśli znajdziemy piątą siłę, to całkowicie zmieni ona istniejący paradygmat. Otworzyłoby to drzwi do nowego świata i pomogło nam zrozumieć cząstki i siły, które składają się na ciemną materie i ciemną energię – powiedział Mauro Raggi z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie, który wraz ze współpracownikami weźmie udział w planowanym eksperymencie.

Eksperyment ma potrwać przynajmniej do końca roku. Są jednak wstępne plany, by potem przenieść instrument PADME do laboratoriów Cornell University, gdzie byłby podłączony do mocniejszego akceleratora cząstek niż ten we Włoszech. Mogło by to rozszerzyć poszukiwania ciemnych fotonów.

Ale nie tylko we Włoszech szukają ciemnego fotonu. Bryan McKinnon z Uniwersytetu w Glasgow, jest zaangażowany w poszukiwanie ciemnego fotonu w akceleratorze im. Thomasa Jeffersona w Wirginii. – Ciemny foton, jeśli istnieje, pozwoli nam zajrzeć do ciemnego sektora, aby zobaczyć, co się dzieje. Z pewnością byłaby to wielka rzecz w fizyce – powiedział McKinnon.

Jakie są szanse, że fizycy znajdą dowód na istnienie piątej siły we Wszechświecie? – Szukamy nieco po omacku, ale jeśli szukamy, to przynajmniej mamy jakieś szanse – powiedział Raggi.

Jeśli uda się potwierdzić istnienie ciemnego fotonu i ewentualnego piątego oddziaływania, to zmieni to nasze postrzeganie Wszechświata. Będzie trzeba przepisać podręczniki do fizyki.

 

Źródło: The Guardian. Istituto Nazionale di Astrofisica, fot. NASA/JPL-Caltech