Mørk materie, mørk energi – og verdens minste sprettball

Sprettball - i fysikkens tjeneste siden 1736.

Sprettball – i fysikkens tjeneste siden 1736.

Slipp en myk gummiball, og den spretter. Kjedelig. Men hva skjer hvis du slipper et nøytron – en av de ultrasmå partiklene som atomkjernen er laget av? Fysikere har nå klart å måle hvordan et nøytron spretter i jordens tyngdefelt. Med det har de klart å begrense mulighetene for hva både mørk materie og mørk energi kan være. Hvordan kan noe så lite si noe om to av moderne forsknings største spørsmål – samtidig?

Rundt om i universet finnes det store mengder «mørk materie». Vi vet at den er der. Den bidrar til hvordan stjerner og galakser begever seg, og har hatt sine mørke fingre med i spillet som har ledet universet til å se ut som det gjør i dag. Men hva ER den?

Universet utvider seg. For hver dag kommer galaksene og galaksehopene litt lenger fra hverandre. Og som om ikke det var rart nok, så utvider det seg fortere og fortere. Noe driver denne akselerasjonen, noe som er rundt oss og over alt, hele tiden, og dette noe kaller vi «mørk energi». Men hva ER den? 

Slik lyder to av de største spørsmålene innen moderne fysikk og kosmologi. Det letes, forskes, analyseres og studeres på alle måter vi har kommet på, men i skrivende stund er vi i den klassiske akademiske situasjon: Det finnes et utall forslag, men ingen målinger som kan avgjøre hvilket av forslagene som er riktig.

Ideer som kan gi oss nye målinger er derfor gull verdt. Nå har en forskergruppe, ledet av Hartmut Abele ved Wien Tekniske Universitet, muligens startet et nytt gullrush – og det på en uventet og skikkelig kul måte. Resultatene ble publisert i en artikkel ledet av T. Jenke, i Physical Review Letters 16. april 2014.

Verdens minste sprettball

Abele, Jenke og kolleger har klart å lage verdens minste sprettball, og deretter klart å knytte den til de store, kosmiske spørsmålene over.

«Ballen» de bruker er et nøytron. Alt stoff du ser rundt deg består av atomer, og disse atomene består igjen av en sky av elektroner rundt en atomkjerne. Atomkjernen er typisk noen milliontedel av en milliardtedels meter i diameter, og består av to typer partikler – protoner og nøytroner. (Disse består igjen av kvarker og gluoner, men det kan du lese om annensteds.)

Abele og co. sin ballsprettemaskin - i skjematisk utgave. Tro meg, den er mer komplisert i virkeligheten...

Abele og co. sin ballsprettemaskin – i skjematisk utgave. Tro meg, den er mer komplisert i virkeligheten…

Nøytronene har ingen elektrisk ladning. Hvis du tar et slikt og slipper det, så vil det dermed falle til jorden akkurat som en vanlig ball. Ingenting hindrer det – ikke en gang luftmotstand, siden nøytronet er mye, mye mindre enn molekylene i luft. (Skal du prøve å slippe et, bør du derfor gjøre som forskerne her har gjort og pumpe vekk all luften først, ellers blir det som å slippe et sandkorn ned i en boks med klinkekuler. Ikke mye til sprett.)

Når nøytronet treffer bakken – i dette tilfellet et jevnt lag av atomer – vil det sprette. Hvis ingenting begrenser hvordan nøytronet beveger seg, vil det oppføre seg akkurat som en mini-mini-mini-mini-mini-variant av de vanlige sprettballene vi alle kjenner og elsker.

Hvis vi nå i steden begrenser hvordan nøytronet kan sprette, ved å lage to vegger det må sprette mellom, skjer det artige ting. Da kommer kvantefysikken inn i bildet, og sier at nøytronet bare for lov å ha visse energier. Eller, på folkespråket, ballen får bare lov å sprette med noen spesielle høyder.

Å måle slike tillatte energier – energinivåer – fra kvantenes verden er en av fysikkens kjæreste teknikker. Det kalles spektroskopi, og har lært oss nesten alt vi vet om mikroverdenen.

Sprettballskotropi

Slagordet til Institut Laue-Langevin, et av verdens ledende laboratorier for nøytronstudier, har aldri før vært så riktig.

Slagordet til Institut Laue-Langevin, et av verdens ledende laboratorier for nøytronstudier, har aldri før vært så riktig.

Abele og medforskere har klart å måle sprettnivåene til minisprettballen sin – men de har ikke stoppet der. Hvis det finnes mørk materie, og/eller mørk energi, så er det nemlig slik at disse vil påvirke energinivåene til nøytronet. Siden nøytronet ikke påvirkes av elektriske krefter i noen særlig grad, er det veldig, veldig følsomt for andre typer påvirkning, og effekten fra mørk energi og mørk materie burde – hvis den er der – kunne måles.

Forskerne har rett og slett funnet opp en måte å studere mørk energi og mørk materie på i et helt vanlig laboratorium. 

I en serie eksperimenter gjort ved  Institut Laue-Langevin i Grenoble, Frankrike, har gruppen satt opp plater som nøytronene har kunnet hoppe mellom, med litt forskjellige avstander, magnetisk felt og andre forutsetninger. 

Ved å sammenligne resultatene med forutsigelsene fra to ganske mye brukte teorier for mørk materie – «quintessence» og dens tilhørende «kameleon-partikler» som mørk energi og «aksioner» som mørk materie – har de klart å sette mye mer presise grenser enn før. «Grense» betyr her hvor sannsynlig det er at disse teoriene er riktige, gitt alt vi har målt. 

Sagt på en annen måte: Å sprette nøytroner i et laboratorium i Frankrike, har gjort to vanlige teorier for universets utvikling og form mindre sannsynlige. Ikke dårlig. Ingen oppdagelse – det ville vært virkelig ultrasuperkult – men likevel et viktig resultat.

Resultatet lover dessuten godt for fremtidige oppdagelser. Nå er flere grupper i gang med å måle nøytronsprett, og tilsvarende ting med hele atomer. Så små ting sprettende i jordens tyngdefelt er nytt territorium for fysikken – og der fysikken turer frem pleier spennende nytt å følge.

Vi venter i spenning på mer fra sprettballsprettende kvantefysikere rundt om i verden.

Kilder:

 

4 comments

  1. Carbomontanus · april 24, 2014

    Det kommer noe bardus på oss på morgenkvisten Dr.Samset, men vi skal klare å følge med.

    Nå har jeg instuert dagens oppgaver for mitt Harem her vi bor, det er bil og båtkalsscque og vinduer og nypoteter og grønnkål. det er bjørkespprett så det virkelig er helt tydelig og 3 uker tidligere enn før you see og igår sådde vi erter.

    Men jeg skal klare å komme tilbake til dette om sprettballene og nøytronene. De er der og tynger ned atomene på viktig måte men i det fri så kleber de seg inn i hva som allerede er der.

  2. P.T. · april 24, 2014

    Om jeg har forstått det rett, så vil et nøytron som er fanget mellom to vegger ikke kunne bevege seg andre steder enn enten opp eller ned, men en som ikke befinner seg mellom noen vegger vil hoppe rundt i alle rommets tre dimensjoner. Hvorfor eksperimenteres det da med vegger med ulike mellomrom?

    Hvis en overfører de samme egenskapene til en sprettball på størrelse med en klinkekule og dets varierende energienhet representert i form av 1 cm, betyr det at sprettballen bare ville kunne sprette i været med en cm om gangen, f.eks. 1, 2, 3 og 4 cm,og så videre, men aldri 0.8, 1.3, 2.7 eller 6.6 cm? Hvordan vil dette forholde seg på andre himmellegemer med annen gravitasjon enn jorda?

    Det nevnes også at nøytronet ikke påvirkes av elektriske krefter i «noen særlig grad». Men det blir altså likevel påvirket, selv om påvirkningen er liten?

    Jeg skjønte dessverre ikke helt hvordan eksperimentet kunne brukes til å påvise mørk materie og energi, eller fastslå formen på og utviklingen av universet.

    • Carbomontanus · april 25, 2014

      Dr. P.T
      Det er ikke så vrient hvis man bare er orthodox og skrift- tro og pedantisk nok.

      Energi er kraft ganger vei, og så har du energiens permanens, og for det tredje, energien er kvantisert i heltallige trinn der helt nede i det små.

      Hvis du da endrer tyngdekraften så vil bare veien justere seg selv og bli lenger forat de to andre dogggggg- mene skal holde.

      So far so good iallefall i teorien, og finner du noe annet i forsøk så får du Nobelpris.

      Og da ligger det også an til at om metoden er presis nok og de finner noe annet i forsøk, hvilket de håber på, så får de Nobelpris for å ha vist mørk masse eller mørk energi i laboratorieforsøk. Men resultatet hittil er efter hva de skriver at de kan flytte og innskjerpe usikkerhetsgrensene en hundrefaktor for hvor de ikke finner det.

      Det er hva jeg har fått med.

      Så var det elektrisk. Det er nevnt fra kildens side. De elektriserer ved å la det passere først gjennom en film av jern, og der står det stille for meg, antagelig fordi jeg ikke kan kjernekjemi.

      Men hva laboratoriet skriver virker seriøst.

  3. Carbomontanus · april 25, 2014

    Samset
    Nå har jeg lest litt mer.
    Den beste henvisningen du har er til Institut Laue Languevin. Der finner man tegningen av apparatet og under det kan man lete og lese videre selv.

    Det er ultra- kalde neutroner som sendes inn mellom et gulv og et tak meget nær hverandre og gulvet oscillerer Så er det en detektor i andre enden. Så får de «resonans» med Dip i hva som kommer igjennom til detektoren, i form av meget skarpe linjer. Og apparatet befinner seg i tyngdefeltet og i høyvacuum.

    Så går nøytronene først gjennom en folie av jern for å lades. Gru og huttemegtu hvordan skal vi skjønne det da? men Rutherford skjøt alfapartikler gjennom bladgull.

    Så er det antagelig slik at metoden er så skarp at den kan avsløre eventuelt tull og tøys i tyngdefeltet, og som første resultat finner de at Newton består med bravur, og til og med Einstein synes å kunne score atter et poeng mens to andre bizarre teorier kan måkes unna. Det forenkler mye.

    Bedømmelse:

    Det ligner klart på science av det solide slaget, og jeg kan på egne vegne føye til at overalt hvor man gjør noe sånt, stiller med en helt ny metode, så kan man garantere å finne ting som ingen har drømt om enda, ikke engang i søvne. Det skjer nemlig konsekvent og alltid når man for første gang vender kikkerten mot Fru Luna. Kikkerten er da intet astronomisk apparat? eller vender radar parabolantennen til himmels. Den er da altfor grov og møkkete og det kan komme fugleskitt på den,…

    På fysisk så hadde de en svakt sfærisk skål av stål. Og en stålkule. Som spratt og spratt og spratt og spratt og spratt og spratt…. utrolig lenge før det sa Brrrrt og den ble liggende i ro. Det kalles en Kadansøøøøøø på fransk og decay på engelsk eller en dempning. Og det var utrolig elastisk.

    Så første spørsmål jeg stiller er om slike nøytronsprett er dempet på noe vis, for ellers vil man ha en Perpetuum Mobile. Se Reidar Finsrud Perpetuum Mobile.

    Men er det dempet så vil det nødvendigvis stråle. Om ikke på annen måte så ved at det går varmt og begynner å stråle. Men jeg ville sannelig se etter om det kommer radiobølger.

    Et viktig tips: Jeg hørte to ganger på Radio Smedens visa från Uppland for hornorkester, og klarte å merke meg og skrive opp temaet.

    «Ta – ram taradam, ta ramtaradam, ta – ramtaradam taradam taradam, …..» i 5/4 takt.

    Det er ganske klart hammeren som preller på ambolten, og takten og temaet kan slåes med hammer på ambolt så det preller og spretter.

    Den visa er altså et MUST! i fysikken.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s