Σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη και παγιδευμένα νετρόνια

Η κβαντομηχανική συμπεριφορά ενός νετρονίου μέσα στο βαρυτικό πεδίο της Γης θα μπορούσε να μας δώσει απαντήσεις σχετικά με τη σκοτεινή ενέργεια και την σκοτεινή ύλη.

Η φασματοσκοπία ρύθμιζε πάντα τον βηματισμό της Φυσικής. Έτσι, η παρατήρηση της σειράς Balmer στο άτομο του υδρογόνου οδήγησε στο πρότυπο Bohr-Sommerfeld πριν από έναν αιώνα και η διακριτότητα του φάσματος παρακίνησε τον Werner Heisenberg να αναπτύξει την μητρο-μηχανική και τον Erwin Schrödinger διατυπώσει την κυματο-μηχανική. Το 1947, η παρατήρηση της μετατόπισης Lamb στο υδρογόνο (από τον Willis E. Lamb) επιβεβαιώνει την κβαντική ηλεκτροδυναμική.

Τώρα μια επιστημονική ομάδα από τη Βιέννη δημοσιεύει στο Physical Review Letters  [arxiv-web3.library.cornell.edu] το πώς θα μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε πάλι τις μοναδικές δυνατότητες που μας προσφέρει η φασματοσκοπία και να θέσουμε περιορισμούς στις διάφορες θεωρίες της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας.
(αριστερά) Η πειραματική διάταξη παγίδευσης νετρονίων. Υπερ-ψυχρά νετρόνια εισέρχονται στο χώρο μεταξύ δυο καθρεπτών που δρουν ως πηγάδι δυναμικού, εξαιτίας του οποίου το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων είναι διακριτό. Ένας ανιχνευτής μετρά τα νετρόνια που εξέρχονται από την κοιλότητα των δυο καθρεπτών. Ο κάτω καθρέπτης έχει την δυνατότητα κατακόρυφης ταλάντωσης, γεγονός που δημιουργεί διεγέρσεις των νετρονίων.  (δεξιά) Διάγραμμα ενεργειακών σταθμών των εγκλωβισμένων νετρονίων μεταξύ των δυο οριζοντίων τοιχωμάτων υπό την επίδραση του βαρυτικού πεδίου 

Αυτή τη φορά δεν ερευνάται το φάσμα ενός πραγματικού ατόμου, όπως το άτομο του υδρογόνου όπου ένα ηλεκτρόνιο δεσμεύεται από το πρωτόνιο (πυρήνα),
αλλά ενός «υποθετικού ατόμου»:  ένα νετρόνιο που αναπηδά πάνω – κάτω, στον χώρο μεταξύ δυο οριζόντιων κατόπτρων, εξαιτίας του ελκτικού βαρυτικού πεδίου της Γης.

Αυτή η κίνηση είναι κβαντισμένη και η μέτρηση της απόστασης των ενεργειακών σταθμών επιτρέπει στους ερευνητές να εξάγουν συμπεράσματα σχετικά με το νόμο του αντιστρόφου του τετραγώνου της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα σε μικρές αποστάσεις.

Ένα κβαντικό σωματίδιο σε ένα γραμμικό δυναμικό, που αντιστοιχεί για παράδειγμα στο βαρυτικό πεδίο κοντά στην επιφάνεια της Γης, έχει συνεχές ενεργειακό φάσμα. Όμως, όταν η κίνηση του σωματιδίου – στην περίπτωσή μας ένα νετρόνιο – περιορίζεται από ένα ή δυο οριζόντια τοιχώματα, το ενεργειακό φάσμα που προκύπτει είναι διακριτό, όπως τα φάσματα των ατόμων.

Η θεωρητική μελέτη αυτού του προβλήματος είναι στοιχειώδης, με την έννοια ότι θα μπορούσε να θεωρηθεί σαν μια παραλλαγή των ασκήσεων του μαθήματος της κβαντομηχανικής με σωματίδια σε διάφορα πηγάδια δυναμικού … αλλά λίγο πιο δύσκολη.

Προκειμένου λοιπόν να επιτευχθεί αυτό το υποθετικό άτομο «νετρονίου – Γης» οι ερευνητές Jenke et al τοποθέτησαν νετρόνια μεταξύ δυο κατόπτρων, τα οποία δρουν ως τοιχώματα ενός πηγαδιού δυναμικού και στη συνέχεια μετέβαλλαν την απόσταση μεταξύ των κατόπτρων με έναν ταλαντωτικό τρόπο.

Έτσι, προκαλούσαν διέγερση και αποδιέγερση των νετρονίων μέσα στο «βαρυτικό κουτί», κάτι σαν τις διεγέρσεις των ηλεκτρονίων στα άτομα εξαιτίας των φωτονίων.

Στο ινστιτούτο Laue-Langevin, όπου οι Jenke et al πραγματοποιούν τα πειράματά τους με τα υπερ-ψυχρά νετρόνια (νετρόνια με κινητική ενέργεια  μικρότερη από 0,3 μeV), μπορούν να μετρήσουν τις συχνότητες μετάβασης μεταξύ των τεσσάρων πρώτων ενεργειακών σταθμών. Τις χρησιμοποιούν για την αναζήτηση νέου τύπου πιθανών αλληλεπιδράσεων βαρυτικού τύπου σε αποστάσεις τάξης μικρομέτρου, που θα μπορούσαν να συσχετιστούν με την σκοτεινή ενέργεια και τη σκοτεινή ύλη.

Αποτελέσματα της βαρυτικής φασματοσκοπίας συντονισμού των Jenke et al (arxiv)

Παρότι η σκοτεινή ενέργεια εξηγεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος και η σκοτεινή ύλη χρειάζεται για την ερμηνεία της περιστροφής των γαλαξιών και των δομών μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος, η πραγματική φύση αυτών των μορφών ύλης και ενέργειας δεν έχει κατανοηθεί μέχρι σήμερα.

Η κεντρική ιδέα του πειράματος των Jenke et al βασίζεται στην υπόθεση ότι η αλληλεπίδραση της σκοτεινής ύλης ή της σκοτεινής ενέργειας και των παγιδευμένων νετρονίων (ανάμεσα στα δυο τοιχώματα) προκαλεί μετατόπιση των ενεργειακών σταθμών. Αυτή η προσέγγιση είναι εντελώς ανάλογη με την μέτρηση της μετατόπισης Lamb του ατόμου του υδρογόνου, που επαληθεύει την κβάντωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (έτσι επιβεβαιώνεται η ύπαρξη του φωτονίου), ή της μετατόπισης Zeeman που προκύπτει από το σπιν του ηλεκτρονίου.

Υπάρχουν θεωρίες για την σκοτεινή ενέργεια ή την σκοτεινή ύλη που προβλέπουν την αλληλεπίδρασή τους με την συνηθισμένη ύλη. Αν τα υπέρ-ψυχρα δέσμια νετρόνια του πειράματος αλληλεπιδρούν με την σκοτεινή ενέργεια ή την σκοτεινή ύλη, τότε θα επηρεάζονται και οι μετατοπίσεις μεταξύ των ενεργειακών σταθμών.

Έτσι, η σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα θα μπορούσε να αποκλείσει ή να θέσει περιορισμούς στις παραμέτρους αυτών θεωρητικών προτύπων και εν τέλει να ρίξει άπλετο φως στα (μέχρι στιγμής) σκοτεινά σημεία της φυσικής.
3/5/2016

0 σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου