Ciemna materia

Ciemna materia jest ogromną, ale niewidzialną materią wszechświata, najprawodopodobniej odpowiedzialną za siły grawitacji, która utrzymują galaktykę Drogi Mlecznej razem.

Nasza galaktyka obraca się niewiarygodnie szybko, a gwiazdy, planety i inne obiekty poleciałyby w różnych kierunkach, jeśli nie byłoby przyciągania grawitacyjnego.

Kiedy obliczyć wagę każdej znanej masy, to nigdzie w pobliżu nie ma wystarczająco dużo siły, aby utrzymać galaktykę razem. Ciemna materia stanowi tą różnicę.

                                            Źródło: http://chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter/index5.html

Chociaż nikt nigdy nie wykrył ciemnej materii, to możliwości wykazane przez detektor XENON100 są zachęcające. Wysoka czułość detektora - udowodniona dzięki wynikom doświadczalnym - może uwolnić naukowców z konieczności ograniczania analizy tylko do danych zgromadzonych.

Naukowcy pracujący nad projektem dotyczącym ciemnej materii (Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes – eksperyment DAMA/LIBRA) twierdzą, iż wykryli ciemną materię w roku 1998. Zespół obserwował sygnał zmieniający się wraz z porami roku, czego jednak nie potwierdziły inne zespoły poszukujące ciemnej materii; fakt ten tłumaczony jest następująco: inne grupy nie napotkały na sygnał, ponieważ ciemna materia reagowała tylko z atomami detektora XENON, jako że „chętniej współpracuje” ona z elektronami.

Przez długi czas uznawano za niewykonalne, aby przetestować rozpraszanie cząstek ciemnej materii na elektronach lub emitowanych fotonach, jednak płynne detektory gazu szlachetnego, jak zawiera XENON100 tworzą obecnie nowy standard w tym przedsięwzięciu.

Materiał używany w detektorze XENON100 i materiał użyty w projekcie DAMA / LIBRA są bardzo podobne pod względem konfiguracji elektronowej -  detektor XENON100 jest jednak o wiele bardziej wrażliwy i dzięki temu sygnał będzie o wiele bardziej wyraźny

Chociaż dane XENON100 nie wykazują takiego samego sygnału, jak obserwowany podczas projektu DAMA / LIBRA, to wskazują na zaledwie słabą roczną modulację, która rodzi pytania, ale jest niezwykle ekscytująca.

Eksperyment prowadzony jest w ramach międzynarodowej współpracy naukowców z 120  instytucji na całym świecie i jest prowadzony przez Elenę Aprile, profesor astrofizyki na Uniwersytecie Columbia.

Jesienią tego roku zespół wdroży detektor nowej generacji o nazwie XENON1T, który ma być 100 razy bardziej czuły niż XENON100. Sam detektor będzie 20 razy większy i obejmie szereg ulepszeń technologicznych.

Celem eksperymentów XENON100 i XENON1T jest wychwycenie oznak ciemnej materii, która przepływa przez Ziemię i przestrzeń kosmiczną. Aby chronić czujki detektora przed promieniowaniem kosmicznym, są one zlokalizowane pod górą w Narodowym Laboratorium Gran Sasso we Włoszech, największym na świecie podziemnym laboratorium.

Czujki wykorzystują gaz szlachetny: ksenon, przechowywany w pojemniku ze stali nierdzewnej. Detektor wyposażony jest w elektronikę, która umożliwia wykrycie nawet pojedynczego elektronu i fotonu wygenerowanego w dowolnym miejscu.

Czas płynący do tyłu - czyli możliwość wiedzy o wynikach pomiarów w przyszłości

Prawa mechaniki klasycznej są niezależne od kierunku czasu, ale czy tak samo jest w mechanice kwantowej, jest przedmiotem debaty. Chociaż przyjmuje się, że prawa rządzące wydzielonymi systemami kwantowymi są symetryczne w czasie, pomiar zmienia stan systemu według zasad, które są ważne tylko, kiedy czas płynie do przodu – aczkolwiek są różnice w opiniach na temat interpretacji tego efektu.

Fizycy z Université Libre de Bruxelles opracowali w pełni symetryczną w czasie formułę teorii kwantowej, która ustala dokładny związek między opisaną asymetrią a faktem, że możemy pamiętać przeszłość, ale nie przyszłość - zjawisko, które fizyk Stephen Hawking nazwał "psychologiczną" strzałką czasu.

Studium oferuje nowe spojrzenie na koncepcję wolnego wyboru i przyczynowości, i sugeruje, że związek przyczynowy nie musi być uznany za podstawową zasadę fizyki.

Pomysł, że w chwili obecnej nasze wybory mogą wpływać na wydarzenia w przyszłości, ale nie w przeszłości, znajduje odzwierciedlenie w zasadach standardowej teorii kwantowej jako zasada, którą teoretycy kwantowi nazywają: "przyczynowość- kazualizm”.

Aby zrozumieć tę zasadę, autorzy nowej koncepcji analizowali pojęcie „wyboru” w świetle mechaniki kwantowej – co właściwie oznacza wybór?

Na przykład, myślimy, że eksperymentator może wybrać to, co będzie przedmiotem wykonywania pomiarów w danym systemie, ale nie ma wpływu na wynik  pomiaru. Odpowiednio do tego, zgodnie z zasadą przyczynowości, wybór pomiaru może być skorelowany tylko z wynikami pomiarów w przyszłości, natomiast wynik pomiaru może być skorelowany zarówno z wynikami pomiarów zarówno przeszłych, jak  i przyszłych.

Naukowcy uważają, że decydująca właściwość, wedle której interpretujemy zmienne opisujące pomiar zgodnie z wyborem eksperymentatora, podczas gdy wynik pomiaru już nie, polega na tym, iż wynik może być znany przed odbywającym się pomiarem.

Z tego punktu widzenia zasada przyczynowości może być rozumiana jako ograniczenie dostępnych informacji na temat różnych zmiennych w różnych momentach. To ograniczenie nie jest symetryczne do czasu, odkąd zarówno wybór pomiaru i wynik pomiaru mogą być znane a posteriori. To, według badaczy, jest istotą ukrytej asymetrii w standardowym sformułowaniu teorii kwantowej.

Teoria kwantowa została sformułowana w oparciu o asymetryczne podstawy, które odzwierciedlają fakt, że możemy poznać przeszłość i interesuje nas przewidywanie przyszłości. Ale pojęcie prawdopodobieństwa jest niezależne od czasu i z punktu widzenia fizyki warto spróbować sformułować Teorię w zakresie zasadniczo symetrycznym.

W tym celu autorzy proponują przyjąć nową koncepcję pomiaru, który nie jest określony tylko na podstawie zmiennych w przeszłości, ale może zależeć od zmiennych w przyszłości.

"W podejściu proponujemy, aby pomiary nie były interpretowane tylko w zależności od wolnych wyborów eksperymentatora, ale aby dostarczały informacji o możliwych zdarzeniach w różnych regionach czasoprzestrzeni", mówi Nicolas Cerf, współautor badania i dyrektor Centrum Informacji i Komunikacji Quantum na ULB.

W formułowaniu symetrycznej czasowo kwantowej teorii wynikający z tego podejścia, zasada przyczynowości i psychologiczna strzałka czasu wskazują coś, co fizycy nazywają warunkami brzegowymi.

Tak więc, na przykład, zgodnie z nową formułą, nie jest wykluczone, że w niektórych częściach wszechświata zasada przyczynowości może być naruszona.