Het universum is een verbazingwekkend geheime plek. Mysterieuze stoffen die bekend staan ​​als donkere materie en donkere energie zijn goed voor zo'n 95%. Ondanks enorme inspanningen om erachter te komen wat ze zijn, we weten het gewoon niet.

We weten dat donkere materie bestaat vanwege de aantrekkingskracht van clusters van sterrenstelsels - de materie die we in een cluster kunnen zien, is gewoon niet genoeg om het bij elkaar te houden door de zwaartekracht. Er moet dus wat extra materiaal zijn, bestaande uit onbekende deeltjes die voor ons gewoon niet zichtbaar zijn. Er zijn al verschillende kandidaatdeeltjes voorgesteld.

Wetenschappers proberen erachter te komen wat deze onbekende deeltjes zijn door te kijken hoe ze de gewone materie die we om ons heen zien beïnvloeden. Maar tot nu toe is het moeilijk gebleken, dus we weten dat het op zijn best slechts zwak interageert met normale materie. Nu hebben mijn collega Benjamin Varcoe en ik een nieuwe manier bedacht om donkere materie te onderzoeken die misschien wel succesvol zal blijken te zijn:door atomen te gebruiken die zijn uitgerekt tot 4, 000 keer groter dan normaal.

Voordelige atomen

We zijn ver verwijderd van de Griekse visie van atomen als de ondeelbare componenten van alle materie. Het eerste op feiten gebaseerde argument voor het bestaan ​​van atomen werd in het begin van de 19e eeuw gepresenteerd door John Dalton. Maar pas in het begin van de 20e eeuw ontdekten JJ Thomson en Ernest Rutherford dat atomen bestaan ​​uit elektronen en een kern. Snel na, Erwin Schrödinger beschreef het atoom wiskundig met behulp van wat tegenwoordig de kwantumtheorie wordt genoemd.

Moderne experimenten hebben individuele atomen kunnen vangen en manipuleren met een uitstekende precisie. Deze kennis is gebruikt om nieuwe technologieën te creëren, zoals lasers en atoomklokken, en toekomstige computers kunnen enkele atomen als hun primaire componenten gebruiken.

Individuele atomen zijn moeilijk te bestuderen en te controleren omdat ze erg gevoelig zijn voor externe verstoringen. Deze gevoeligheid is meestal een ongemak, maar onze studie suggereert dat het sommige atomen ideaal maakt als sondes voor de detectie van deeltjes die niet sterk interageren met gewone materie - zoals donkere materie.

Ons model is gebaseerd op het feit dat deeltjes met een zwakke wisselwerking moeten stuiteren vanaf de kern van het atoom waarmee het botst en er een kleine hoeveelheid energie mee moeten uitwisselen - vergelijkbaar met de botsing tussen twee poolballen. De energie-uitwisseling zal een plotselinge verplaatsing van de kern veroorzaken die uiteindelijk door het elektron zal worden gevoeld. Dit betekent dat de hele energie van het atoom verandert, die kunnen worden geanalyseerd om informatie te verkrijgen over de eigenschappen van het botsende deeltje.

De hoeveelheid overgedragen energie is echter erg klein, er is dus een speciaal soort atoom nodig om de interactie relevant te maken. We kwamen erachter dat het zogenaamde "Rydberg-atoom" voldoende zou zijn. Dit zijn atomen met grote afstanden tussen het elektron en de kern, wat betekent dat ze een hoge potentiële energie bezitten. Potentiële energie is een vorm van opgeslagen energie. Bijvoorbeeld, een bal op een hoge plank heeft potentiële energie omdat deze kan worden omgezet in kinetische energie als hij van de plank valt.

In het labortorium, het is mogelijk om atomen te vangen en ze voor te bereiden in een Rydberg-staat - waardoor ze zo groot worden als 4, 000 keer hun oorspronkelijke grootte. Dit gebeurt door de atomen met een laser te belichten met licht op een zeer specifieke frequentie.

Dit geprepareerde atoom is waarschijnlijk veel zwaarder dan de donkere materiedeeltjes. Dus in plaats van dat een biljartbal een andere raakt, een meer geschikte beschrijving is een knikker die een bowlingbal raakt. Het lijkt vreemd dat grote atomen meer worden verstoord door botsingen dan kleine - men zou het tegenovergestelde kunnen verwachten (kleinere dingen worden meestal meer beïnvloed wanneer een botsing plaatsvindt).

De verklaring houdt verband met twee kenmerken van Rydberg-atomen:ze zijn zeer onstabiel vanwege hun verhoogde energie, dus kleine verstoringen zouden hen meer storen. Ook, vanwege hun grote oppervlakte, de kans dat de atomen een interactie aangaan met deeltjes wordt vergroot, zodat ze meer aanrijdingen zullen krijgen.

De kleinste deeltjes spotten

Huidige experimenten zoeken meestal naar donkere materiedeeltjes door te proberen hun verstrooiing van atoomkernen of elektronen op aarde te detecteren. Dit doen ze door op zoek te gaan naar lichte of vrije elektronen in grote tanks met vloeibare edelgassen die worden gegenereerd door energieoverdracht tussen het donkere materiedeeltje en de atomen van de vloeistof.

Maar, volgens de wetten van de kwantummechanica, er moet een bepaalde minimale energieoverdracht zijn om het licht te produceren. Een analogie zou een deeltje zijn dat in botsing komt met een gitaarsnaar:het zal een noot produceren die we kunnen horen, maar als het deeltje te klein is, trilt de snaar helemaal niet.

Het probleem met deze methoden is dus dat het donkere materiedeeltje groot genoeg moet zijn om het op deze manier te detecteren. Echter, onze berekeningen laten zien dat de Rydberg-atomen op een significante manier zullen worden verstoord, zelfs door deeltjes met een lage massa - wat betekent dat ze kunnen worden toegepast om te zoeken naar kandidaten van donkere materie die andere experimenten missen. Een van die deeltjes is het Axion, een hypothetisch deeltje dat een sterke kandidaat is voor donkere materie.

Experimenten zouden vereisen dat de atomen met uiterste zorg worden behandeld, maar ze hoeven niet te worden gedaan in een diepe ondergrondse faciliteit zoals andere experimenten, omdat de Rydberg-atomen naar verwachting minder gevoelig zijn voor kosmische straling in vergelijking met donkere materie.

We werken eraan om de gevoeligheid van het systeem verder te verbeteren, met als doel het bereik van deeltjes dat het kan waarnemen uit te breiden.

Naast donkere materie streven we er ook naar om het ooit toe te passen voor de detectie van zwaartekrachtsgolven, de rimpelingen in het weefsel van de ruimte die lang geleden door Einstein werden voorspeld. Deze verstoringen van het ruimte-tijd continuüm zijn onlangs ontdekt, maar we geloven dat we door atomen te gebruiken zwaartekrachtgolven kunnen detecteren met een andere frequentie dan de golven die al zijn waargenomen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.