Naukowcy z UMK na tropie ciemnej materii

Naukowcy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu przeprowadzili pionierski eksperyment, wykorzystując optyczny zegar atomowy do poszukiwania ciemnej materii. Wyniki badań ukazały się właśnie na łamach prestiżowego „Nature Astronomy”.

Publikacja ta jest dziełem naukowców z Zakładu Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej Instytutu Fizyki UMK. Pierwszym autorem jest dr Piotr Wcisło, a współautorami - dr inż. Piotr Morzyński, dr Marcin Bober, dr Agata Cygan, dr hab. Daniel Lisak, prof. UMK, dr hab. Roman Ciuryło, prof. UMK oraz dr hab. Michał Zawada. Już sam fakt, że wszyscy autorzy artykułu opublikowanego w czasopiśmie tej rangi związani są z jednym ośrodkiem badawczym, jest ewenementem w skali polskiej nauki.  Co więcej, wszystkie zaprezentowane na łamach „Nature Astronomy” pomiary zostały wykonane w Toruniu – w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO)  przy użyciu Polskiego Optycznego Zegara Atomowego (POZA), zbudowanego dwa lata temu wspólnym wysiłkiem badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego i Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.

Artykuł Experimental constraint on dark matter detection with optical atomic clocks opisuje pierwsze eksperymentalne wykorzystanie optycznych zegarów atomowych do poszukiwania ciemnej materii w laboratorium.

– Efekty fizyczne sugerujące istnienie ciemnej materii były do tej pory obserwowane tylko w skali  galaktycznej.  Wyjaśnienie obserwowanego ruchu ciał wewnątrz galaktyk czy charakterystycznego załamania światła, które dociera do Ziemi, wymagałoby znacznie silniejszego oddziaływania grawitacyjnego niż to, którego źródłem była dostrzegalna materia  - mówi dr Piotr Wcisło. - Zaobserwowanie ciemnej materii w warunkach laboratoryjnych byłoby prawdziwym przełomem. Nam udało się wykorzystać narzędzie pozwalające poszukiwać ciemnej materii oraz zmierzyć, że jeżeli ciemna materia rzeczywiście istnieje, to nie oddziałuje ona ze znaną nam materią silniej niż pewna wyznaczona przez nas wartość.

To krok na drodze do rozwiązania jednego z najbardziej fundamentalnych problemów fizyki.

- Istnieje kilka teorii opisujących, czym jest ciemna materia - wyjaśnia dr hab. Michał Zawada. -  Pierwsza i najbardziej popularna mówi o tym, że we Wszechświecie oprócz materii, którą możemy obserwować, występuje również inna materia, której nie widzimy, a która oddziałuje grawitacyjnie. Z obliczeń wynika, że ciemnej materii jest 4 razy więcej niż tej, która jest widoczna. Do szukania cząsteczek ciemnej materii buduje się szalenie kosztowne układy doświadczalne.

Druga hipoteza zakłada, że to teoria grawitacji może nie być do końca prawdziwa, że być może do zależności siły od odległości należałoby dodać jakiś nieznany czynnik korygujący.

Naukowcy z Torunia skupili się na badaniu kolejnej teorii, mówiącej o tym, że istnieją makroskopowe obiekty ciemnej materii, tzw. defekty topologiczne, które powstały we wczesnym, jeszcze szybko schładzającym się Wszechświecie. Defekt taki możemy wyobrazić sobie jako ścianę (o nieznanej nam grubości), która „przelatuje” przez Wszechświat. – Jeśli taki obiekt przemknie przez Krajowe Laboratorium FAMO i jeśli jakkolwiek sprzęga się ze standardową materią, którą znamy, to w tym momencie najczulsze urządzenia na świecie, jakim jest optyczny zegar atomowy, zacznie „tykać” nieco inaczej – wyjaśnia dr Wcisło.

O tym fizycy na świecie myśleli już wcześniej. Zakładali jednak, że aby sprawdzić, odchylenia w pracy zegara, trzeba mieć inny zegar referencyjny, umożliwiający porównanie pomiarów. Urządzenia musiałyby być znacznie od siebie oddalone, a jednocześnie połączone w sposób, który umożliwi wykrycie nawet drobnych różnic – aby zestawić pomiary instrumentów np. w Polsce i w Japonii, trzeba by zbudować odpowiednie połączenie  światłowodowe o bardzo wyśrubowanych parametrach.

Pionierskim pomysłem dr. Piotra Wcisło było to, że można użyć nawet pojedynczego optycznego zegara atomowego, który jest czuły na poszukiwane zaburzenia. Wystarczy, że jako wzorzec częstości potraktujemy nie tylko ultrazimne atomy, ale też wnękę optyczną, która jest jednym ze standardowych elementów takiego zegara. Częstotliwości światła pochłanianego przez atomy oraz przechodzącego przez wnękę inaczej zareagują na spotkanie z poszukiwanym obiektem. Jego obecność zamanifestuje się jako różnica tych dwóch częstotliwości.

- Optyczne zegary atomowe wykorzystujące ultrazimne atomy i wnęki optyczne, używane są od lat, jednak przez ten czas eksperymentatorzy nie dostrzegli tego potencjału – podkreśla prof. Roman Ciuryło. – Czasem połączenie prostych faktów prowadzi do ciekawych konsekwencji. Tak było w tym przypadku.

Atutów zaproponowanej przez toruńskich naukowców metody jest wiele. Po pierwsze pozwala ona określać kolejne limity, dotyczące natury ciemnej materii, a co za tym idzie – rugować błędne teorie. Przy aktualnym stanie wiedzy na temat ciemnej materii każda odpowiedź jest na wagę złota i wnosi wiele do naszego rozumienia świata.

- Naprawdę ekscytująca jest jednak to, że zyskaliśmy realną szansę pozytywnej detekcji ciemnej materii – mówi dr Piotr Wcisło. - Zaobserwowanie jakiegokolwiek sygnału dowodzącego jej istnienia oznaczałoby nowe otwarcie dla fizyki i astronomii i mogłoby dać odpowiedź na wiele fundamentalnych pytań, które nurtują współczesnych badaczy, dotyczących m.in. natury ciemnej materii, faktycznej niezmienności podstawowych stałych fizycznych czy relacji między modelem standardowym a teorią grawitacji, które – choć wewnętrznie spójne – nijak nie chcą pasować do siebie nawzajem.

Rozwiązanie opracowane przez fizyków z UMK jest też wyjątkowo ekonomiczne. Analizie zostają poddane bowiem dane produkowane przez już istniejący instrument, powołany i wykorzystywany do innych celów, a budowa kosztownych detektorów nie jest konieczna.

- To, że możemy dziś testować takie pomysły, jest plonem wysiłków ogólnopolskiego środowiska uczonych zajmujących się fizyką atomową, molekularną i optyczną podjętych na początku tego stulecia – zaznacza prof. Ciuryło. – Dzięki temu, że powstało KL FAMO, możliwe było w Polsce rozwijanie ultranowoczesnych technologii oraz takich gałęzi fizyki, których osiągnięcia pozwoliły na budowę Polskiego Optycznego Zegara Atomowego. To z kolei dało szansę na zmierzenie się z jedną z bardziej fascynujących zagadek Wszechświata.

Zespół naukowców z UMK zamierza nie tylko kontynuować badania, lecz także nawiązać współpracę z innymi ośrodkami dysponującymi optycznymi zegarami atomowymi i stworzyć wspólnie z nimi rodzaj globalnego obserwatorium.

Opr. CPiI UMK