Ilman pimeää ainetta oma galaksimme, Linnunrata, ei pystyisi ylläpitämään spiraalirakenteensa eheyttä. Työt, joihin osallistuu tutkija Maia Vergniory Kvantti-instituutista, auttavat tiedettä lähestymään tämän ilmiön selitystä.
Kuva: Michel Caron - UdeS
Astronomi Edwin Hubblerin vuonna 1929 tekemien löytöjen ansiosta tiedämme, että universumi on laajentunut sen syntymästä lähtien. Kuitenkin sen jälkeen tehdyt mittaukset tämän laajenemisen nopeudesta ovat paljastaneet arvoituksen, joka on kiehtonut tiedeyhteisöä vuosikymmenten ajan: fysiikan lakien mukaan havaittavissa oleva massa universumissa on selvästi riittämätön mitattujen nopeuksien mahdollistamiseksi.
Selittääkseen tämän ilmiön monet tutkijat ovat jo 1930-luvulla esittäneet "mustan aineen" olemassaolon, aineen, jota ei voida havaita perinteisin keinoin, ja joka muodostaisi lähes 85 % koko universumin massasta ja mahdollistaisi rakenteiden, kuten galaksien, yhdistelemisen.
Yksi tämän tuntemattoman aineen luonteen kuvaamiseen esitetty hypoteesi on aksionit, teoreettiset hiukkaset, jotka alun perin ehdotettiin ratkaisemaan vahvan varaus-pariteetti (CP) symmetrian ongelma standardimallissa fysiikassa. Näitä hiukkasia, joita tutkimus on yrittänyt löytää yli 40 vuoden ajan, olisi syntynyt alkuräjähdyksen hetkellä.
Kansainvälinen tiimi, johon kuuluu professori Maia Vergniory UdeS:n tiedekunnasta, on tehnyt ratkaisevan kokeellisen läpimurron yrittäessään havaita aksioneita, mikä vie tieteen lähemmäksi todisteita niiden olemassaolosta. Professori Vergniory on näin ollen mukana merkittävässä edistyksessä, jonka tulokset voisivat valaista ymmärrystämme yhdestä aikamme suurimmista mysteereistä, ja ne julkaistaan arvostetussa Science-lehdessä perjantaina 10. tammikuuta 2025.
"Tämä on poikkeuksellinen edistysaskel, sillä se selittää tärkeän mysteerin luonnollisessa historiassamme, ja tällä läpimurrolla on potentiaalia tuottaa merkittäviä teknologisia etuja. Kriytalit, jotka olemme suunnitelleet kokeemme toteuttamiseksi, pystyvät ohjaamaan fotoneja kohti reunojaan yhdessä suunnassa, ilman poikkeamia - ominaisuus, joka on olennaista tietojen siirrossa ja joka voisi myös vähentää kvanttitietokoneiden virheiden riskiä." selittää professori Maia Vergniory, tiedekunta.
Läpimurtonsa saavuttamiseksi tiimi suunnitteli ja kehitti geometrisiä kiteisiä rakenteita, jotka on valmistettu synteettisestä materiaalista, joka on valittu sen magneettisten ja optisten ominaisuuksien vuoksi, yttrium-rautagranatista.
Tiimi havaitsi, että näiden rakenteiden kolmiulotteisilla reunoilla fotonit liikkuivat yksisuuntaisesti - esimerkiksi nousemalla, edeten ja oikealle - ilman takaisinsirontaa. Tämä fotonien käyttäytyminen kiteessä vastaa myös teoriaa aksioneista, mikä viittaa siihen, että havaitut fotonit ovat itse asiassa aksioneita, jotka on muutettu fotoneiksi.
"Meidän on näin ollen lähempänä päivää, jolloin voimme todistaa niiden olemassaolon suoran havainnon avulla, mikä olisi merkittävä edistysaskel ymmärryksessämme mustasta aineesta." toteaa professori Maia Vergniory.
Tiimin seuraava vaihe on optimoida kiteiset rakenteensa, jotta niitä voidaan käyttää kokeissa, jotka pyrkivät havaitsemaan aksioneista muunnettuja fotoneja äärimmäisissä olosuhteissa, kuten voimakkaissa magneettikentissä.
Kolme teoreettista ehdokasta mustan aineen selittämiseksi
Musta aine on mysteerinen materiaali, jota voidaan havaita vain sen ympäristöön kohdistamien gravitaatioefektien kautta. Vaikka sitä ei ole vielä havaittu suoraan, kolme teoreettista hiukkasta ovat ehdokkaita sen olemassaolon selittämiseksi:- Aksionit: hypoteettiset kevyet hiukkaset, jotka syntyivät alkuräjähdyksen aikana.
- WIMPit (heikosti vuorovaikuttavat massiiviset hiukkaset): massiiviset hiukkaset, jotka vuorovaikuttavat heikosti.
- MACHOt (massiiviset tiiviit halo-objektit): tiiviit objektit, kuten kuolleet tähdet tai mustat aukot (joita nykyään pidetään riittämättöminä mustan aineen selittämiseksi).
Maia Vergnioryn osallistama tutkimus on mobilisoinut monia ihmisiä kolmella mantereella. Professor Zhang Baile Nanyangin teknillisestä yliopistosta (Singapore) johtama tutkimus on myös yhdistänyt tutkijoita Max Planckin instituutista kiinteän aineen fysiikkaan (Saksa), Zürichin teknillisestä korkeakoulusta (Sveitsi), Donostian kansainvälisestä fysiikkakeskuksesta (Espanja), Baskimaan yliopistosta ja Baskimaan tieteen säätiöstä (Espanja), Dongguanin teknillisestä yliopistosta (Kiina), Nanjingin yliopistosta (Kiina), Etelä-Kiinan tiede- ja teknologian yliopistosta (Kiina), Kiinan elektronisen, tieteen ja teknologian yliopistosta sekä Westlaken yliopistosta (Kiina).