Leijuvasta magneetista ensimmäisiin tähtiin: pimeän aineen etsintä laajenee

Pimeällä aineella ei välttämättä ole vain yhtä massaa tai yhtä tapaa vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa. Siksi etsintä ei enää rajoitu perinteisiin hiukkasilmaisimiin. Tutkijat etsivät laboratoriossa hyvin harvinaisia mekaanisia sysäyksiä, arvioivat uudelleen varhaisen maailmankaikkeuden fysiikan asettamia rajoja ja tutkivat, voisivatko gravitaatioaallot säilyttää jälkiä ensimmäisistä kosmisista rakenteista.

Leijuva magneetti ultraraskaiden hiukkasten jäljillä

Rice Universityn POLONAISE-laitteistossa milligramman kokoluokan kestomagneetti leijuu suprajohtavassa ansassa lähes absoluuttisessa nollapisteessä. Järjestely eristää magneetin liikkeen poikkeuksellisen tehokkaasti. Jos hyvin raskas pimeän aineen hiukkanen kulkisi laitteen ohi, se voisi jättää magneetin liikkeeseen lyhyen, mitattavan voiman merkin.

Ensimmäisessä haussa ei havaittu yhtään ehdokastapahtumaa. Se ei kuitenkaan ole merkityksetön tulos: havaintojen puuttuminen sulkee pois sellaisia massan ja vuorovaikutuksen voimakkuuden yhdistelmiä, joiden olisi pitänyt tuottaa mitattava signaali. Analyysi kattaa suunnilleen massa-alueen 10^6–10^15 GeV/c². Kevyille välittäjähiukkasille se asettaa 95 prosentin luottamustasolla rajoja kytkennälle aina arvoon αₙ = 3,2 × 10⁻⁹ asti.

Keskeistä on mittakaava. Ricen mukaan laite oli herkkä hiukkasille, jotka ovat noin kymmenen miljoonaa kertaa raskaampia kuin aiemmissa leijutuskokeissa tutkitut hiukkaset. Jos pimeä aine koostuu näin raskaista ja siksi harvinaisista hiukkasista, etsintä ei muistuta jatkuvan signaalin mittaamista. Se on pikemminkin odottamista, että yksi ohikiitävä kohtaaminen osuu ilmaisimeen.

Pimeät fotonit ja kyseenalaistettu kosmologinen raja

Toisessa ääripäässä ovat ultrakevyet pimeät fotonit. Aiemmat kosmologiset rajoitteet perustuivat ajatukseen, että pimeän fotonin massa voi osua yhteen ympäröivän plasman taajuuden kanssa. Tällöin muuntuminen näkyviksi fotoneiksi tai plasmoneiksi vahvistuisi resonanssissa. Energian siirtyminen voisi lämmittää plasmaa ja jättää jälkiä, jotka näkyisivät kosmologisissa havainnoissa. 24

Uusi teoreettinen tutkimus esittää, ettei prosessi jatkuisi riittävän pitkään suuren energiamäärän siirtämiseksi plasmaan. Kun energia alkaa siirtyä, epälineaariset epävakaudet katkaisevat resonanssin nopeasti. Tutkijoiden johtopäätös on, että juuri nämä varhaisen maailmankaikkeuden resonanssimuunnokseen perustuvat rajoitteet olisi arvioitava uudelleen. 6

Tämä ei tarkoita, että pimeitä fotoneita olisi löydetty tai että kaikki niitä koskevat rajat olisivat kadonneet. Muut kosmologiset ja astrofysikaaliset testit ovat edelleen olennaisia, mukaan lukien ei-resonanssiseen absorptioon ja galaksienvälisen aineen mahdolliseen lämpenemiseen liittyvät rajoitteet. 5 Olennaista on, että uuden hiukkasen rajoitukset voivat riippua hyvin tarkasti oletuksista, joita tehdään varhaisen maailmankaikkeuden monimutkaisen plasman käyttäytymisestä.

Pulsariajoitusverkot ikkunana kosmiseen aamunkoittoon

Kolmas tutkimussuunta ei pyri havaitsemaan hiukkasta suoraan nykyhetkessä. Sen sijaan se kysyy, olisiko pimeä aine voinut vaikuttaa ensimmäisten suurten mustien aukkojen syntyyn.

Pulsariajoitusverkot, kuten NANOGrav, mittaavat erittäin tarkasti useiden pulsarien radiosignaalien saapumisaikoja. NANOGrav-yhteistyö on raportoinut nanohertsialueella signaalin, joka sopii stokastiseen gravitaatioaaltotaustaan. Yksi ehdotus on, että osa tästä taustasta voisi liittyä varhaisen maailmankaikkeuden hypoteettisiin supermassiivisiin pimeisiin tähtiin.

Tässä mallissa pimeän aineen annihilaatioista syntyvä lämpö — tavallisen ydinfusion sijaan — voisi väliaikaisesti ylläpitää tällaisia alkuräjähdyksen jälkeisiä tähtiä. Niiden romahtaessa syntyisi massiivisia mustien aukkojen siemeniä. Mallinnusten mukaan näiden jälkeläisten myöhemmät sulautumiset voisivat tietyillä oletuksilla tuottaa jopa hallitsevan osan pulsariajoitusverkkojen havaitsemasta signaalista.

Ajatus on kiinnostava, koska se yhdistää pimeän aineen luonteen toiseen avoimeen kosmologiseen kysymykseen: miten supermassiivisia mustia aukkoja saattoi muodostua niin varhain. Se on silti yhä hypoteesi. Gravitaatioaaltotausta ei yksin kerro lähdettään, ja sille on useita mahdollisia lähteitä ja tulkintoja.

Mitä pimeän aineen etsinnässä muuttuu?

Kolmella lähestymistavalla on sama päämäärä, mutta niiden logiikka on erilainen:

• Laboratorioanturit etsivät harvinaisen, erittäin raskaan hiukkasen suoraa sysäystä.
• Plasmakosmologia testaa, perustuivatko aiemmat ultrakevyitä kenttiä koskevat poissulut realistiseen kuvaukseen varhaisen maailmankaikkeuden plasmasta.
• Gravitaatioaallot voivat tarjota epäsuoran testin sille, vaikuttiko pimeä aine kosmisen aamunkoiton mustien aukkojen siementen syntyyn.

Pimeästä aineesta ei ole vielä suoraa havaintoa. Etsintäkenttä on silti selvästi laajentunut: mahdollisesti leijuvaa magneettia tönäisevistä harvinaisista hiukkasista kenttiin, jotka ovat niin kevyitä, että plasmafysiikka ratkaisee, voidaanko ne sulkea pois — ja edelleen varhaisten rakenteiden jättämiin gravitaatioaaltojälkiin miljardien vuosien takaa.