Läbimurre arendustöös avab tumeaine otsingutes uue peatüki

Foto: European Southern Observatory/Du/PA Wire/PA Images/Scanpix

30 aastat kestnud arendustöö kannab vilja ning juba lähiajal algavad reaalsed eksperimendid seni tuvastamata teoreetilise tumeaine-osakese aksioni tabamiseks, teatasid Washingtoni Ülikooli teadlased.

Tumeaine, mida ka tumeenergiana tuntakse on teatavasti üks kosmoloogia ja osakestefüüsika suuremaid müsteeriume – kõik arvutused näitavad, et kusagil Universumis peab olema teatud kogus energiat, mis hoiab koos terveid galaktikaid, kuid mille olemuse kohta ei ole praegu teada peaaegu et mitte kui midagi. Hinnanguliselt peaks see moodustama koguni 80 protsenti kogu vaadeldava Universumi massist tulenevast energiast, kuid selle päritolu, koostise või isegi asukoha osas on jätkuvalt suur teadmatus.

Näiteks on teadlased aastaid arvanud, et tumeaine taga võivad peituda teoreetilised nõrga vastastikmõjuga massiivsed osakesed ehk WIMPid (inglise keelsest nimest Weakly-interacting massive particles), kuid aastad otsinguid ei ole WIMPide olemasolu kinnitanud.

Värskes ajakirjas Physical Review Letters ilmunud uuringus avaldasid ainulaadse Aksionide Tumeaine Eksperimendi teadlased aga uudise, et esmakordselt on valminud seade, millega saab kindlaks teha ühe teise tumeaine osakese kandidaadi aksioni olemasolu. Masinat hakati ehitama küll juba 30 aastat tagasi, kuid pisikeste ja kergete osakeste tuvastamiseks vajaliku täpsuseni jõudis see alles nüüd.

Eksperimenti koordineerivad Washingtoni Ülikooli ja Fermi Osakestekiirendi Laboratooriumi teadlased. Uue täpsuse tasemega jõuab kogu eksperiment uude järku, millega kasvab märkimisväärselt ka aksionide leidmise tõenäosus. Varasemad otsingud ei ole neid seni vaid teoreetiliselt ennustatavaid osakesi tuvastada suutnud, kuid siis ei olnud ka tehnoloogiline võimekus veel piisav. Nüüd on aga masinas kasutatavad ülijuhtivad kvantvõimendid esmakordselt oma täispotentsiaalini viidud, mis võimaldab täiesti pretsedenditut tundlikkust.

«Need tulemused on märk aksionide tõelise otsimise algusest,» ütles eksperimendi juhataja Andrew Sonnenschein Fermi laboratooriumist. «Kui tumeaine aksionid meie uuritavas sageduste vahemikus olemas on, siis on vaid aja küsimus, et millal me need üles leiame.»

Suurem osa aksionide otsimise seadmest asub maa aluses hiiglaslikus krüostaadis. Foto: ADMX collaboration

Aksionide detektor on tööpõhimõttelt haloskoop – suur, madala müratasemega raadiovastuvõtja, mille abil teadlased erinevaid sagedusi läbi kuulavad. On teada, et aksionid ei reageeri peaaegu mitte kunagi tavalise mateeriaga, küll aga on tugeva magnetvälja, külma ja pimeda ning spetsiaalse peegeldava karbi abil luua tingimused, mille juures on võimalik «kuulata» aksionite elektromagnetlaineteks muundumist.

Raadio analoogiat rõhutas ka Washingtoni Ülikooli füüsikaprofessor Gray Rybka: «Oleme ehitanud raadio, mis otsib raadiojaamasid, kuid me ei tea, mis sagedusel see olla võiks. Keerame nuppu ja kuulame. Õige sageduse puhul peaksime signaali kätte saama.»

Uuringuga seotud Washingtoni Ülikooli füüsikaprofessor Leslie Rosenbergi sõnul on eksperimendi uude faasi jõudmine ka olulise märgilise tähendusega. «Sellega oleme maailmale näidanud, et vajalik tundlikkus on olemas ja meil on väga hea võimalus aksionid üles leida. Enam ei ole vaja uut tehnoloogiat ega imesid, vaid ainult aega.»

Kui see kõik tõesti niimoodi on, siis võime me olla üsna läheda uuele fundamentaalsele avastusele füüsikas, mis oleks võrreldav näiteks Universumi paisumise või gravitatsioonilainete tuvastamisega.

Osakeste otsimise tehnilise poole huvilised võivad selle kirjeldust lähemalt lugeda Washingtoni Ülikooli veebilehelt.

Teadusuuring ilmus ajakirjas Physical Review Letters.