חקירת החומר האפל: טכנולוגיה קוונטית והמסע לפתור את התעלומה הגדולה ביותר של החלל

מדענים משתמשים בטכנולוגיות קוונטיות מתקדמות כדי לבנות גלאי חומר אפל רגישים ביותר, במטרה לצפות ולזהות ישירות חומר אפל, המהווה 80% מהחומר של היקום.

אחת התעלומות הגדולות ביותר של המדע יכולה להיות צעד אחד קרוב יותר לפתרון.

כ-80% מהחומר ביקום הוא אפל, כלומר לא ניתן לראותו. למעשה, חומר אפל עובר דרכנו ללא הרף – אולי בקצב של טריליוני חלקיקים בשנייה.

אנחנו יודעים שהוא קיים כי אנחנו יכולים לראות את ההשפעות של כוח המשיכה שלו, אבל ניסויים עד כה לא הצליחו לזהות אותו.

טכנולוגיות קוונטיות מתקדמות בפעולה

תוך ניצול הטכנולוגיות הקוונטיות המתקדמות ביותר, מדענים מאוניברסיטת לנקסטר, ה אוניברסיטת אוקספורדורויאל הולוויי, אוניברסיטת לונדון בונים את גלאי החומר האפל הרגישים ביותר עד כה.

התערוכה הציבורית שלהם בשם "מבט קוונטי של היקום הבלתי נראה" הוצגה בתערוכת הדגל של החברה המלכותית השנה למדעי הקיץ.

בין החוקרים נמנים ד"ר מייקל תומפסון, פרופסור אדוארד לירד, ד"ר דמיטרי זמייב וד"ר סמולי אוטי מלנקסטר, פרופסור ג'וסלין מונרו מאוקספורד ופרופסור אנדרו קייסי מ-RHUL.

עמית EPSRC ד"ר אוטי אמר: "אנו משתמשים בטכנולוגיות קוונטיות בטמפרטורות נמוכות במיוחד כדי לבנות את הגלאים הרגישים ביותר עד כה. המטרה היא לצפות בעניין המסתורי הזה ישירות במעבדה ולפתור את אחת החידות הגדולות במדע".

נקודות מבט תיאורטיות וגישות ניסויות

קיימות עדויות תצפיתיות עקיפות לצפיפות החומר האפל האופיינית בגלקסיה, אך מסת החלקיקים המרכיבים והאינטראקציות האפשריות שלהם עם אטומים רגילים אינם ידועים.

תיאוריית הפיזיקה של החלקיקים מציעה שני מועמדים סבירים לחומר אפל: חלקיקים חדשים עם אינטראקציות כל כך חלשות שעדיין לא צפינו בהם, וחלקיקים דמויי גל קלים מאוד המכונים אקסיונים. הצוות בונה שני ניסויים, אחד לחיפוש כל אחד.

מבין שני המועמדים, ניתן היה לזהות חלקיקים חדשים עם אינטראקציות חלשות במיוחד באמצעות התנגשויות שלהם עם חומר רגיל. עם זאת, האם ניתן לזהות התנגשויות אלו בניסוי תלוי במסה של החומר האפל שמחפשים. רוב החיפושים עד כה יצליחו לזהות חלקיקי חומר אפל ששוקלים בין חמישה ל-1,000 פעמים יותר ממימן אָטוֹםאבל ייתכן שמועמדים לחומר אפל בהיר הרבה יותר הוחמצו.

צוות Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Material Dark and Cosmology (QUEST-DMC) שואף להגיע לרגישות מובילה בעולם להתנגשויות עם מועמדים לחומר אפל עם מסה בין 0.01 למספר אטומי מימן. כדי להשיג זאת, הגלאי עשוי מהליום-3 נוזלי, מקורר למצב קוונטי מקרוסקופי, ומאובזר במגברים קוונטיים מוליכי-על. שילוב שתי הטכנולוגיות הקוונטיות הללו יוצר את הרגישות למדידת חתימות חלשות ביותר של התנגשויות חומר אפל.

רתימת מכניקת הקוונטים לזיהוי חומר אפל

לעומת זאת, אם חומר אפל עשוי מאקסיונים, הם יהיו בהירים ביותר – קלים יותר מפי מיליארד מאטום מימן – אך בכמות רבה יותר. מדענים לא יוכלו לזהות התנגשויות עם אקסונים, אבל הם יכולים לחפש במקום חתימה אחרת – אות חשמלי שנוצר כאשר אקסונים מתפוררים בשדה מגנטי. ניתן למדוד את האפקט הזה רק באמצעות מגבר רגיש להפליא שעובד בדיוק הגבוה ביותר שמאפשר מכניקת הקוונטים. החיישנים הקוונטיים למגזר הנסתר (צוות QSHS) לפיכך מפתח סוג חדש של מגבר קוונטי המתאים באופן מושלם לחיפוש אות אקסיון.

הדוכן בתערוכה השנה יאפשר למבקרים להתבונן בבלתי ניתן לראות באמצעות תערוכות מעשיות דמיוניות לכל הגילאים.

כדי להדגים כיצד אנו מסיקים חומר אפל מהתבוננות בגלקסיות, יהיה גירוסקופ-בקופסה שזז בדרכים מפתיעות בשל התנע הזוויתי הבלתי נראה. יהיו גם גולות זכוכית שקופות בנוזל, המראות כיצד ניתן לצפות במסות בלתי נראות באמצעות ניסויים חכמים.

מקרר דילול מואר ידגים כיצד הצוות משיג טמפרטורות נמוכות במיוחד, ודגם גלאי התנגשות של חלקיקי חומר אפל יראה כיצד היקום שלנו היה מתנהג אם החומר האפל היה מתנהג כמו חומר רגיל.

לאחר מכן המבקרים יכולים לחפש חומר אפל עם גלאי אקסיון דגם על ידי סריקת התדר של מקלט רדיו, והם יכולים גם ליצור מגבר פרמטרי משלהם באמצעות מטוטלת.

הקוסמולוג קרלוס פרנק, עמית החברה המלכותית ויו"ר ועדת המעורבות הציבורית, אמר: "המדע חיוני בסיוע לנו להבין את העולם בו אנו חיים – עבר, הווה ועתיד. אני קורא למבקרים בכל הגילאים לבוא יחד עם ראש פתוח, סקרנות והתלהבות ולחגוג הישגים מדעיים מדהימים המועילים לכולנו".

המחקר בתערוכה זו נתמך על ידי תוכנית UKRI Quantum Technologies for Fundamental Physics.