kozmos.hr
  • Naslovnica
  • /
  • Astronomija
  • /
  • Znanstvenici predlažu elegantno rješenje za jedan od najvećih problema fizike
Astronomija

Znanstvenici predlažu elegantno rješenje za jedan od najvećih problema fizike

Znanstvenici predlažu elegantno rješenje za jedan od najvećih problema fizike
objavljeno

Tamni fotoni više nisu otpisani — novi model mijenja pravila igre i otvara vrata laboratorijskoj detekciji.


Oko 85 posto svemirske materije ne vidimo. Ne zrači, ne reflektira svjetlost i ne sudjeluje u poznatim interakcijama. Ipak, njezina gravitacija veže galaksije, savija prostor i oblikuje svemir kakav poznajemo. Ta nevidljiva masa, poznata kao tamna tvar, decenijama izmiče objašnjenju.

Sada dvojica fizičara — David Cyncynates sa Sveučilišta Washington i Zachary Weiner iz Perimeter instituta — predlažu teoriju koja vraća u igru jednog zaboravljenog kandidata: tamni fotoni. U najnovijem radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters, autori nude mehanizam koji bi mogao riješiti ključni problem koji je dosad isključivao tamne fotone iz ozbiljne znanstvene rasprave.

Kozmičke strune: zašto su tamni fotoni bili diskvalificirani

Tamni fotoni su hipotetske čestice nalik običnim fotonima, ali s masom i gotovo nikakvom interakcijom s poznatom materijom. Na papiru, čine se idealnim kandidatima za tamnu tvar. No u praksi su naišli na ozbiljan teorijski problem — njihova interakcija s običnim fotonima uzrokuje pojavu tzv. kozmičkih struna koje ih diskvalificiraju iz uloge slobodnih čestica tamne tvari.

Zbog slabe, ali ključne interakcije s običnim fotonima u ranoj fazi svemira, tamni fotoni se nisu ponašali kao samostalne čestice. Umjesto da slobodno lebde prostorom i tvore tamnu tvar, zaplitali su se u kozmičke strune — golema, vlaknasta polja koja se protežu kroz svemir poput nevidljivih niti. No takve strukture ne mogu gravitacijski kolapsirati, ne tvore galaktičke haloe i ne ostavljaju tragove kakve astronomi zapravo opažaju. Upravo zbog toga, tamni fotoni su godinama bili prekriženi s popisa ozbiljnih kandidata.

“Bio sam stvarno iznenađen kad sam vidio koliko je modela tamnih fotona otpalo zbog tog problema,” rekao je Cyncynates za Phys.org. “I tada sam se zapitao — jesu li baš svi ti modeli bez šanse, ili se među njima ipak krije nešto što još nismo pokušali?”

Ključ je u pravom trenutku

Novi model potpuno mijenja dosadašnje shvaćanje. Umjesto da se tamni fotoni stvaraju odmah nakon Velikog praska — u razdoblju kada je gustoća svemira bila ekstremna, a stvaranje kozmičkih struna gotovo neizbježno — njihova pojava se namjerno odgađa.

“U našem modelu tamni fotoni nastaju tek kad je svemir dovoljno ‘razrijeđen’, taman toliko da izbjegnu formiranje struna, ali još uvijek dovoljno rano da preuzmu ulogu hladne tamne tvari,” objašnjava Weiner.

Srž tog pristupa je dodatno skalarno polje koje se mijenja kroz vrijeme. U najranijim fazama svemira, to polje gotovo u potpunosti poništava masu tamnog fotona, ostavljajući ga praktički nepostojećim. U kasnijoj fazi, skalarno polje ulazi u fazu brze promjene, pri čemu masa tamnog fotona počinje eksplozivno rasti i potiče stvaranje velikog broja čestica.

“Ovakav pristup omogućuje da tamni fotoni nastanu u uvjetima gdje visoka gustoća više nije prepreka,” dodaje Cyncynates. “To ih čini puno dostupnijima za detekciju nego u klasičnim modelima, gdje bi morali biti gotovo potpuno nevidljivi.”

Otvorena vrata za laboratorijsku detekciju

Za razliku od starijih modela, gdje bi tamni fotoni morali imati iznimno slabe interakcije da ne bi prekršili opažanja, ovdje nova vremenska dinamika dopušta jače interakcije s poznatom materijom — što znači da bi ih napredni detektori mogli doista otkriti.

“To otvara vrata detekciji u laboratorijskim uvjetima, što je veliki pomak,” naglašava Cyncynates.

Autori navode konkretne eksperimente koji bi mogli testirati njihovu teoriju: DM-Radio, ALPHA, Dark E-field, MADMAX — svi osmišljeni da uhvate slabe signale koje bi tamni fotoni trebali proizvoditi.

Neki koriste radiofrekvencijske tehnike za otkrivanje konverzije tamnih fotona u obične, dok drugi detektiraju promjene u ponašanju svjetlosti unutar specijalnih plazmi.

Potencijalni tragovi i na nebu

Novi model također predviđa prepoznatljive kozmičke potpise. Budući da se tamni fotoni proizvode kasno u povijesti svemira, oni “pamte” uvjete svog nastanka — što ostavlja trag u obliku pojačanih malih struktura. Te se fluktuacije razlikuju od standardnih modela i mogle bi biti uočljive teleskopima nove generacije.

“U budućnosti bi se ovi efekti mogli otkriti promatranjem malih halo-struktura ili čak ‘drhtaja’ u sjaju i kretanju zvijezda,” kaže Weiner. “Ali konačna potvrda bila bi laboratorijska detekcija — ona bi dala nepobitan dokaz.”

U širem smislu, teorija Cyncynatesa i Weinera otvara novi prostor parametara koji se donedavno smatrao isključenim.

Model je dovoljno robustan da nudi konkretna predviđanja, ali i dovoljno prilagodljiv da obuhvati različite mehanizme dobivanja mase — uključujući i takozvani Stückelbergov mehanizam, koji možda ne dovodi do nastanka kozmičkih struna, ali čije ponašanje još nije u potpunosti razjašnjeno.

Za fiziku tamne tvari ovo znači jedno: potraga se ne sužava, već širi. A tamni foton, nekoć smatran pogrešnim tragom, možda je sve vrijeme bio bliže istini nego što smo mislili.

🔵 Pridružite se razgovoru!

Imate nešto za podijeliti ili raspraviti? Povežite se s nama na Facebooku i pridružite se zajednici znatiželjnih istraživača u našem Telegram kanalu. Za najnovija otkrića i uvide, pratite nas i na Google Vijestima.