Ένα όργανο που χρησιμοποιεί μια μικροσκοπική χάντρα αιωρούμενη σε δέσμη φωτός μπορεί να μετρά εξαιρετικά μικρές πιέσεις και ενδέχεται να βοηθήσει στον εντοπισμό ενός μυστηριώδους είδους νετρίνο.
Το εργαλείο είναι τόσο ευαίσθητο, ώστε οι ερευνητές ελπίζουν ότι θα μπορούσε να συμβάλει στην αναζήτηση άπιαστων νέων σωματιδίων, όπως εκείνα που ίσως συγκροτούν τη σκοτεινή ύλη.
Η πίεση που προκαλείται από ένα μόνο σωματίδιο μπορεί πλέον να μετρηθεί για πρώτη φορά, χάρη σε μια συσκευή που χρησιμοποιεί μια μικροσκοπική χάντρα συγκρατούμενη στη θέση της από λέιζερ. Πρόκειται για ένα όργανο με τόσο μεγάλη ευαισθησία, ώστε οι ερευνητές εκτιμούν ότι θα μπορούσε να βοηθήσει στον εντοπισμό νέων σωματιδίων που είναι δύσκολο να ανιχνευθούν.
Η πίεση προκαλείται από τα σωματίδια που χτυπούν ένα αντικείμενο και ασκούν συλλογικά δύναμη πάνω στην επιφάνειά του. Συνήθως οι ερευνητές τη βλέπουν ως μέσο αποτέλεσμα και όχι ως άθροισμα των επιδράσεων κάθε σωματιδίου ξεχωριστά. Όταν όμως η πίεση είναι εξαιρετικά χαμηλή, όπως σε πειράματα που πραγματοποιούνται σε σχεδόν τέλειο κενό, η καταγραφή κάθε σωματιδίου χρειάζεται για να αποτυπωθούν σωστά οι επιπτώσεις του.
Ο Yu-Han Tseng από το Πανεπιστήμιο Yale και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν τώρα την πρώτη συσκευή που μπορεί να κάνει τέτοιου είδους μετρήσεις. Κεντρικό της στοιχείο είναι μια μικροσκοπική σφαίρα από πυρίτιο, στο μισό μέγεθος ορισμένων ιών, η οποία συγκρατείται με δέσμη λέιζερ χάρη στις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα δύο. Κάθε φορά που ένα σωματίδιο χτυπά τη σφαίρα, εκείνη αντανακλά φως, το οποίο στη συνέχεια μπορούν να ανιχνεύσουν οι ερευνητές.
Για να δοκιμάσει τη διάταξη, η ομάδα τοποθέτησε τη συσκευή σε υπερυψηλό κενό και στη συνέχεια έστειλε συστηματικά σωματίδια από τρία διαφορετικά αέρια. Μέτρησαν την κίνηση της συσκευής όταν χτυπιόταν από αυτά τα σωματίδια, υπολόγισαν από εκεί την πίεση, τη συνέκριναν με μαθηματικές προβλέψεις και διαπίστωσαν ότι οι δύο τιμές συμφωνούσαν καλά. Η συσκευή λειτουργούσε ακριβώς όπως είχε σχεδιαστεί.
«Πρέπει να κάνεις τα πάντα σωστά για να λειτουργήσει αυτή η μέτρηση», λέει ο Tseng. «Όταν κάναμε τα πάντα αρκετά προσεκτικά, η μέτρηση βγήκε όμορφη».
Ο Yu-Han Tseng, ο Thomas Penny και η Cecily Lowe εργάζονται στη συσκευή μέτρησης της πίεσης.
Ο Clarke Hardy, μέλος της ομάδας, επίσης στο Yale University, λέει ότι η νέα συσκευή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να καθορίσει έναν νέο ορισμό για το τι θεωρείται εξαιρετικά υψηλό κενό, εκεί όπου οι συνηθισμένοι αισθητήρες πίεσης θα έδειχναν απλώς μηδέν. «Θα μπορούσες απλώς να μετράς τον αριθμό των συγκρούσεων και αυτό θα αρκούσε για να πάρεις μια εκτίμηση της πίεσης σε αυτά τα ακραία καθεστώτα υπερυψηλού κενού», λέει.
«Οι μεμονωμένες μοριακές συγκρούσεις σπάνια παρατηρούνται σε πραγματικό χρόνο. Παραδοσιακά, οι επιδράσεις τους γίνονται ορατές μόνο κατά μέσο όρο, όπως όταν ένα γρήγορα κινούμενο αντικείμενο εμφανίζεται θολό σε μια φωτογραφία μεγάλης έκθεσης», λέει ο Joseph Kelly από το King’s College London.
Ο Animesh Datta από το University of Warwick στη Βρετανία λέει ότι παρόμοια σχεδίαση συσκευών, ανάμεσά τους και ορισμένες που αναπτύσσει η δική του ομάδα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην αστρονομία. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τους χώρους χαμηλής πίεσης ανάμεσα στα άστρα, ανιχνεύοντας σωματίδια αερίου που βρίσκονται εκεί αλλά ίσως δεν έχουν εντοπιστεί από άλλους αισθητήρες.
Η ομάδα, πάντως, έχει έναν ακόμη στόχο: να χρησιμοποιήσει τη συσκευή για την ανίχνευση υποθετικών σωματιδίων που ονομάζονται sterile neutrino, τα οποία θα μπορούσαν να εξηγήσουν ανωμαλίες δεκαετιών σε πειράματα σωματιδιακής φυσικής, να δώσουν απάντηση στο γιατί υπάρχουν στο σύμπαν σωματίδια με απειροελάχιστη μάζα και ίσως να αποτελούν ισχυρό υποψήφιο για το από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη.
arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2604.18371
