Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà vật lý đã thực hiện lần chạy đầu tiên của một thí nghiệm mới để phát hiện các trục – các hạt giả thuyết được dự đoán là một trong những hạt nhẹ nhất trong vũ trụ. Nhóm nghiên cứu báo cáo rằng trong tháng đầu tiên quan sát, thí nghiệm đã phát hiện không có dấu hiệu của các trục trong phạm vi khối lượng từ 0,31 đến 8,3 nanoelectronvolts. Điều này có nghĩa là các trục trong phạm vi khối này không tồn tại hoặc chúng có tác động thậm chí nhỏ hơn đối với điện và từ tính so với suy nghĩ trước đây.
Các nhà vật lý từ MIT và các nơi khác đã thực hiện bước đầu tiên của một thí nghiệm mới để phát hiện các trục – các hạt giả thuyết được dự đoán là một trong những hạt nhẹ nhất trong vũ trụ. Nếu chúng tồn tại, các trục sẽ gần như vô hình, nhưng không thể giải thích được; chúng có thể chiếm gần 85% khối lượng của vũ trụ, dưới dạng vật chất tối.
Các trục đặc biệt khác thường ở chỗ chúng được dự kiến sẽ sửa đổi các quy tắc về điện và từ tính ở mức độ phút. Trong một bài báo được công bố hôm nay trên Tạp chí Vật lý , nhóm nghiên cứu do MIT dẫn đầu báo cáo rằng trong tháng đầu tiên quan sát, thí nghiệm đã phát hiện không có dấu hiệu của các trục trong phạm vi khối lượng từ 0,31 đến 8,3 nanoelectronvolts. Điều này có nghĩa là các trục trong phạm vi khối lượng này, tương đương với khoảng một phần triệu khối lượng của một proton, không tồn tại hoặc chúng có tác động thậm chí nhỏ hơn đối với điện và từ tính so với suy nghĩ trước đây.
“Đây là lần đầu tiên bất cứ ai trực tiếp nhìn vào không gian trục này”, Lindley Winslow, nhà điều tra chính của thí nghiệm và Giáo sư Vật lý Phát triển Nghề nghiệp của Jerrold R. Zacharias tại MIT nói. “Chúng tôi rất vui mừng vì bây giờ chúng tôi có thể nói,” Chúng tôi có cách để nhìn vào đây và chúng tôi biết cách làm tốt hơn! “”
Các đồng tác giả MIT của Winslow bao gồm tác giả chính Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zachary Bogorad, Janet Conrad, Joseph Formaggio, Joseph Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler và Daniel Winklehner, cùng với các nhà nghiên cứu từ 8 tổ chức khác.
Magnetars và munchkins
Trong khi chúng được cho là ở khắp mọi nơi, các axion được dự đoán là gần giống như ma, chỉ có những tương tác nhỏ với bất cứ thứ gì khác trong vũ trụ.
“Là vật chất tối, chúng không nên ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của bạn”, Winslow nói. “Nhưng chúng được cho là ảnh hưởng đến mọi thứ ở cấp độ vũ trụ, như sự giãn nở của vũ trụ và sự hình thành của các thiên hà mà chúng ta thấy trên bầu trời đêm.”
Do sự tương tác của chúng với điện từ, các trục được cho là có hành vi đáng ngạc nhiên xung quanh các từ – một loại sao neutron tạo ra từ trường cực mạnh. Nếu có các trục, chúng có thể khai thác từ trường của nam châm để tự chuyển đổi thành sóng vô tuyến, có thể được phát hiện bằng kính viễn vọng chuyên dụng trên Trái đất.
Vào năm 2016, một bộ ba nhà lý thuyết MIT đã vẽ ra một thí nghiệm tư duy để phát hiện các trục, lấy cảm hứng từ nam châm. Thí nghiệm được đặt tên là ABRACADABRA, cho Phương pháp tiếp cận băng rộng / cộng hưởng để phát hiện trục vũ trụ với Thiết bị vành đai trường B khuếch đại, và được hình thành bởi Thaler, một giáo sư vật lý và là nhà nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm Khoa học hạt nhân và Trung tâm Vật lý lý thuyết, cùng với Benjamin Safdi, sau đó là MIT Pappalardo Fellow, và cựu sinh viên tốt nghiệp Yonatan Kahn.
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế cho một nam châm nhỏ hình bánh rán (donut-shaped) được giữ trong tủ lạnh ở nhiệt độ cao hơn độ không tuyệt đối. Không có trục, không nên có từ trường ở trung tâm của chiếc bánh, hoặc, như Winslow đặt nó, “nơi mà munchkin nên ở.” Tuy nhiên, nếu tồn tại các trục, máy dò sẽ “nhìn thấy” từ trường ở giữa bánh.
Sau khi nhóm công bố thiết kế lý thuyết của họ, Winslow, một nhà thực nghiệm, đã tìm cách tìm ra cách để thực sự xây dựng thí nghiệm.
“Chúng tôi muốn tìm kiếm một tín hiệu của một trục, trong đó, nếu chúng ta nhìn thấy nó, đó thực sự là trục,” Winslow nói. “Đó là điều thú vị về thí nghiệm này. Về mặt kỹ thuật, nếu bạn nhìn thấy từ trường này, nó chỉ có thể là trục, bởi vì hình học cụ thể mà họ có thể nghĩ ra.”
Ở điểm ngọt ngào
Đây là một thử nghiệm đầy thách thức vì tín hiệu dự kiến là dưới 20 atto-Tesla. Để tham khảo, từ trường của Trái đất là 30 micro-Tesla và sóng não của con người là 1 pico-Tesla. Khi xây dựng thí nghiệm, Winslow và các đồng nghiệp của cô đã phải đối mặt với hai thách thức thiết kế chính, trong đó đầu tiên là tủ lạnh được sử dụng để giữ toàn bộ thí nghiệm ở nhiệt độ cực cao. Tủ lạnh bao gồm một hệ thống máy bơm cơ học có hoạt động có thể tạo ra những rung động rất nhẹ mà Winslow lo lắng có thể che giấu tín hiệu của trục.
Thách thức thứ hai liên quan đến tiếng ồn trong môi trường, chẳng hạn như từ các đài phát thanh gần đó, điện tử trong toàn tòa nhà bật và tắt, và thậm chí là đèn LED trên máy tính và thiết bị điện tử, tất cả đều có thể tạo ra từ trường cạnh tranh.
Nhóm nghiên cứu đã giải quyết vấn đề đầu tiên bằng cách treo toàn bộ chi tiết, sử dụng một sợi chỉ mỏng như chỉ nha khoa. Vấn đề thứ hai đã được giải quyết bằng sự kết hợp giữa che chắn siêu dẫn lạnh và che chắn ấm xung quanh bên ngoài thí nghiệm.
“Cuối cùng chúng tôi có thể lấy dữ liệu, và có một khu vực ngọt ngào trong đó chúng tôi ở trên các rung động của tủ lạnh, và dưới tiếng ồn môi trường có lẽ đến từ hàng xóm của chúng tôi, trong đó chúng tôi có thể thực hiện thí nghiệm.”
Các nhà nghiên cứu trước tiên đã thực hiện một loạt các thử nghiệm để xác nhận thí nghiệm đang hoạt động và thể hiện chính xác từ trường. Thử nghiệm quan trọng nhất là tiêm từ trường để mô phỏng một trục giả và để xem máy dò của thí nghiệm tạo ra tín hiệu dự kiến - chỉ ra rằng nếu một trục thực sự tương tác với thí nghiệm, nó sẽ được phát hiện. Tại thời điểm này, thí nghiệm đã sẵn sàng để khởi động.
“Nếu bạn lấy dữ liệu và chạy nó thông qua một chương trình âm thanh, bạn có thể nghe thấy âm thanh mà tủ lạnh tạo ra”, Winslow nói. “Chúng tôi cũng thấy những tiếng ồn khác xảy ra và từ một người bên cạnh đang làm gì đó và rồi tiếng ồn đó biến mất. Và khi chúng tôi nhìn vào điểm ngọt ngào này, nó giữ lại, chúng tôi hiểu cách máy dò hoạt động và nó trở nên đủ yên tĩnh để nghe các trục. “
Nhìn thấy bầy đàn
Năm 2018, nhóm đã thực hiện lần chạy đầu tiên của ABRACADABRA, liên tục lấy mẫu từ tháng 7 đến tháng 8. Sau khi phân tích dữ liệu từ thời kỳ này, họ không tìm thấy bằng chứng nào về các trục trong phạm vi khối lượng từ 0,31 đến 8,3 nanoelectronvol thay đổi điện và từ tính hơn một phần trong 10 tỷ.
Thí nghiệm được thiết kế để phát hiện các trục có khối lượng thậm chí nhỏ hơn, xuống còn khoảng 1 xương đùi, cũng như các trục lớn như 1 microelectronvolts.
Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục chạy thử nghiệm hiện tại, có kích thước bằng một quả bóng rổ, để tìm kiếm các trục nhỏ hơn và yếu hơn. Trong khi đó, Winslow đang trong quá trình tìm ra cách mở rộng thử nghiệm, đến kích thước của một chiếc xe nhỏ gọn – kích thước có thể cho phép phát hiện các trục thậm chí yếu hơn.
“Có một khả năng thực sự của một khám phá lớn trong các giai đoạn tiếp theo của thí nghiệm”, Winslow nói. “Điều thúc đẩy chúng tôi là khả năng nhìn thấy thứ gì đó sẽ thay đổi lĩnh vực. Đó là vật lý có rủi ro cao, có thưởng cao.”
Nghiên cứu này được tài trợ, một phần, bởi Quỹ khoa học quốc gia, Bộ năng lượng và Quỹ Simons.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts . Bản gốc được viết bởi Jennifer Chu. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :