Hľadáte iný druh tmavej hmoty pomocou satelitov GPS

Stále nevieme, čo je temná hmota. Najrozšírenejšou možnosťou sú slabo interagujúce masívne častice alebo WIMP a väčšina prehľadávaní temnej hmoty ich hľadá. Zostávajú však ďalšie možnosti a tieto alternatívy k WIMP, „monštruóznym tvorom na okrajoch mapy temnej hmoty“, sú stále vo všeobecnosti častice, teoretické, exotické alebo iné. Tieto častice by mohli obsahovať záhadnú hmotu, ktorá drží galaxie pohromade a tvoria 26,8 percenta masovej energie vesmíru.

Je tu však ešte jedna možnosť, iný druh príšerného tvora, ktorý nezahŕňa častice. Niektorí fyzici skúmali myšlienku, že temná hmota by mohla byť „topologickými defektmi“ v kvantovom poli. Namiesto pevných častíc by to boli poruchy alebo oscilácie.

Tento týždeň dvaja fyzici navrhli spôsob, ako hľadať takéto defekty iba pomocou atómových hodín. Atómové hodiny sú „pravdepodobne najpresnejšie vedecké nástroje, aké boli kedy skonštruované,“ píšu vedci vo svojom článku. A čo je najdôležitejšie, potrebné hodiny už existujú vo forme nášho systému GPS.

Tu je návod, ako to funguje.

Princíp

Topologické defekty sa mohli vytvoriť v ranom vesmíre, keď kvantové polia prešli fázovými prechodmi. Ak by tieto fázové prechody boli neúplné, kúsky poľa by boli uväznené vo vysokoenergetickom stave, čo je chyba v samotnom vesmíre. V dôsledku ekvivalencie hmotnosti a energie by tieto defekty poskytovali gravitačnú silu. Poruchy môžu mať rôzne formy, vrátane objektov známych zástancom teórie strún: nulové monopóly, jednorozmerné struny a dvojrozmerné doménové steny. Jeden alebo viac z nich by potenciálne mohlo existovať, ale sú čisto teoretické – v tejto chvíli nie je jasné, či niektorý z nich existuje.

(Objekt s nulovou dimenziou je v podstate ako bod. Nemá dĺžku, šírku ani výšku. Jednorozmerné objekty, ako sú struny teórie strún, majú iba dĺžku, zatiaľ čo dvojrozmerné objekty majú dĺžku a šírku – vytvárajú plochý povrch, ako list papiera. V našom každodennom svete sú predmety samozrejme trojrozmerné.)

Poruchy by mohli existovať vo veľkých oblakoch podobných plynu a cestovať priamo cez pevné objekty, ako je Zem. Ak je to tak, relativita nám hovorí, že by mali mierne zmeniť tikot hodín, keď nimi prechádzajú. Ak by sa teda viaceré atómové hodiny nastavili v značnej vzdialenosti od seba – povedzme na opačných stranách Zem – potom by sa prechod mraku mal prejaviť, pretože by trvalo nejaký čas, kým by sa mrak defektov dostal z jednej hodiny inému.

Keď oblak dosiahne prvé hodiny, tieto dve hodiny sa nesynchronizujú. Kým cloud dosiahne druhé hodiny, zostanú tieto dve hodiny nesynchronizované. Potom mrak zasiahne druhé hodiny a zmení aj tie a tieto dve hodiny budú opäť synchronizované. Tu výskumníci rozumne predpokladajú - že materiál bude cestovať dobre známym rýchlosť, ktorou sa galaktické objekty, ktoré prechádzajú Slnečnou sústavou, majú tendenciu pohybovať: približne 300 kilometrov za hodinu druhý.

Ak áno, ponecháva to dostatok času na zistenie rozdielu medzi hodinami predtým, ako cloud dosiahne druhé hodiny a vráti ich späť do synchronizácie: približne 30 sekúnd.

Súhvezdie hodín

Na vytvorenie detektora by sa dala vytvoriť sieť mnohých atómových hodín rozmiestnených po celom zemskom povrchu. Autori odporúčajú, aby každý uzol siete mal viacero hodín, aby sa potvrdil efekt. Ak naozaj existuje obrovský mrak topologických defektov, ktoré prechádzajú a menia hodiny, potom by blízke hodiny mali cítiť to isté v rovnakom čase. Týmto spôsobom, ak iba jedny hodiny vypadnú zo synchronizácie, ale ostatné v blízkosti nie, je pravdepodobnejšie, že to bude efekt špecifický pre tieto hodiny, a nie mrak defektov prechádzajúci cez celý uzol. „Navyše veľký počet hodín v sieti pomôže určiť smer príchodu [topological defekt cloud], jeho rýchlosť a priestorový rozsah,“ píšu autori vo svojom papier.

Tento druh siete by bol tiež schopný rozlišovať medzi rôznymi druhmi topologických defektov; napríklad by dokázal odlíšiť doménové steny od monopolov. Získali by sme ešte lepšie merania, ak by na každom uzle v sieti boli hodiny rôznych typov.

Ako už bolo uvedené, vybavenie na takýto test už existuje. Najpozoruhodnejšie je, že satelity GPS majú na palube atómové hodiny. „Uvažujeme o použití konštelácie GPS ako detektora tmavej hmoty s apertúrou 50 000 km,“ píšu autori. Takáto široká apertúra umožňuje presný detektor, najmä ak sú v sieti zahrnuté aj pozemné atómové hodiny.

Aj keď to poskytuje vysoký stupeň istoty o meraniach v budúcej sieti, je tiež náchylné na veľký šum. Rovnako ako pri mnohých iných experimentoch určených na hľadanie nepolapiteľných objektov z vesmíru, je veľmi dôležité pri takomto experimente vylúčiť čo najviac hluku. Aj keď sú satelitné hodiny GPS ovplyvnené vecami, ako sú slnečné erupcie a teplota, žiadna z nich sa nebude šíriť sieťou rýchlosťou 300 kilometrov za sekundu ako topologické defekty. Z tohto dôvodu sú vedci presvedčení, že signál defektného mraku by mal vyčnievať z hluku a byť zistiteľný.

Topologická temná hmota je menšinovým kandidátom na pochopenie vesmíru, pričom WIMP sú stále najlepšou možnosťou. To by sa však mohlo veľmi rýchlo zmeniť, ak by údaje zo siete GPS naznačovali prítomnosť mrakov defektov.

Prírodná fyzika, 2014. DOI: doi: 10.1038/NPHYS3137 (O DOI).