Optyczne poszukiwania egzotycznej fizyki

Celem projektu są poszukiwania fizyki poza Modelem Standardowym. Na potrzeby tego zadania zbudowana została światowa sieć zsynchronizowanych magnetometrów optycznych. Dzięki swoim unikalnym własnością sieć ta pozwoliła na testowanie hipotez naukowych, które nie były do tej pory weryfikowane przez żaden z istniejących eksperymentów. Pozwoliła ona m.in. na poszukiwania pola aksjonowego, które mogłoby być jednym z budulców ciemnej materii lub ciemnej energii, jak również poszukiwania planet i gwiazd, zbudowanych z ciemnej materii. Dzięki swojej unikalności, sieć GNOME otwarła możliwości badań w obszarach niedostępnych wcześniej dla naukowców. W przyszłości sieć wykorzystywana będzie do innych badań, co być może pozwoli na uzyskanie informacji, które przybliżą nas do rozwiązania jednej z największych tajemnic współczesnej nauki.

Opis

            Jednym z problemów naukowych, który od dłuższego czasu intryguje społeczność naukową jest zagadnienie tzw. ciemnej materii. Okazuje się bowiem, że ciała niebieskie poruszają się w taki sposób jakby kosmos wypełniony był nie tylko zwykłą materią, ale również tzw. ciemną materią, tzn. materią, która nie oddziałuje elektromagnetycznie (nie absorbuje i rozprasza świtała), ale powoduje przyciąganie grawitacyjne. Inne obserwacje, takie jak ogniskowanie grawitacyjne czy promieniowanie tła, zdają się dowodzić istnienia takiej właśnie materii. Co więcej, okazuje się, że rozszerzanie się Wszechświata przyspiesza w czasie. Ponieważ jednak zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona ruch przyspieszony wywołuje siła, we Wszechświecie musi istnieć siła, która powoduje taki właśnie efekt. Ta siła przyjmuje formę tajemniczej ciemnej energii.

            Naukowcy od kilku już dekad zastanawiają się nad tym czym jest ciemna materii i ciemna energia. Próby teoretycznego opisu tych obiektów często skutkują wprowadzeniem nowych cząstek i oddziaływań. Jednakże do dziś nie udało się zaobserwować ani jednych, ani drugich. Powodów takiego stanu rzeczy może być kilka począwszy od wciąż za małej czułości eksperymentów (mimo tego, że należą one do najdokładniejszych eksperymentów na świecie), poprzez niedoskonałe modele teoretyczne (inne kształty potencjałów grawitacyjnych, istnienie masowych fotonów, itp.) po błędy metodologiczne samych pomiarów. O ile pierwsze dwa problemy od kilku już dekad są obiektem intensywnych prac, o tyle ostatni z nich do tej pory pozostawał niezauważony. Remedium na ten stan rzeczy jest projekt wykorzystania sieci zsynchronizowanych magnetometrów optycznych zwanej GNOME (ang. Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches).

            Wszystkie prowadzone do tej pory eksperymenty poszukiwania ciemnej materii/energii lub, bardziej ogólnie, fizyki poza Modelem Standardowym, skupiały się na prowadzeniu pomiarów stałych efektów, które egzotyczne cząstki lub oddziaływania miałyby wywoływać w normalnej materii. Chcąc uzyskać jak najlepszą czułość, obserwacje zjawisk, w których mogłoby dochodzić do ujawnienia się efektów wywoływanych egzotycznymi polami lub cząstkami były powtarzane po wielokroć. Dzięki temu ograniczeniu podlegał nieskorelowany szum a poszukiwane sygnały pozostawały niezmienne (poprawa stosunku sygnału do szumu). Podejście to zdawałoby świetnie egzamin w przypadku gdy poszukiwany sygnał byłby niezmienny w czasie. Jednakże, gdyby tak nie było, a obserwowane sygnały egzotyczne były oscylujące lub krótkoczasowe, podejście to prowadziło do uśredniania do zera poszukiwanego sygnału.

            Pomiary krótkoczasowe sygnałów egzotycznych wymagają nie tylko zmiany metodologii, ale również zbudowania urządzeń, które cechują się dużą czułością, ale jednocześnie szerokim pasmem pomiarowym (możliwością pomiarów szybkozmiennych sygnałów). Okazuje się jednak, że nie jest to prosty wyzwanie, gdyż zazwyczaj urządzenia są albo czułe, albo mają szerokie pasmo.

            Jednym z możliwych urządzeń, które mogłyby zostać wykorzystane do pomiarów egzotycznych sprzężeń spinowych są magnetometry optyczne. Urządzenia takie wykorzystują w swoim działaniu tzw. zjawiska magnetooptyczne czyli efekty, w których sposób propagacji światła przez ośrodek zależy od pola magnetycznego. W ten sposób monitorując natężenie czy polaryzacje światła przechodzącego przez ośrodek magnetooptycznie czynny możliwy jest pomiar pola magnetycznego.

            Współczesne magnetometry optyczne należą do najczulszych urządzeń do pomiarów pola magnetycznego, przewyższając czułością wszystkie znane czujniki tego pola. Jednakże urządzenia te są nie tyle czułe na samo pole magnetyczne, co na efekt jaki to pole wywołało w atomach lub cząstkach ośrodka magnetooptycznie czynnego. Co ciekawe efekt taki mogą wywoływać również egzotyczne cząstki i oddziaływania. Dlatego też magnetometry optyczne świetnie nadają się do poszukiwań egzotycznych cząstek i oddziaływań.

            Poważnym problemem, z którym należy się zmierzyć podejmując się pomiarów jakichkolwiek sprzężeń spinowych jest obecność zaburzeń w obserwowanym sygnale. W szczególności konieczne jest rozróżnienie prawdziwych sygnałów od tych, które są skutkiem szumu. Aby zrealizować ten cel zaproponowaliśmy stworzenie sieci GNOME. Dzięki pomiarom porównawczym możliwe jest wykrycie globalnych chwilowych sprzężeń spinowych przy jednoczesnym zdecydowanym ograniczeniu szumu lokalnego. Kluczowe są w tym przypadku pomiary pomiędzy magnetometrami odległymi o setki a czasem tysiące kilometrów. Pomiary te muszą być dokonywane z odpowiednio dużą rozdzielczością czasową.

            W czerwcu-lipcu 2017 roku odbył się pierwszy pomiar naukowy sieci GNOME, trwający ponad miesiąc. Jego celem było wykrycia fizyki egzotycznej mającej wpływ na ewolucję spinów budujących ciemną materię. Obecnie trwa analiza uzyskanych danych oraz przygotowanie kolejnego pomiaru długoterminowego. Przeprowadzone analizy mają na celu weryfikację hipotezy istnienia ciemnej materii w postaci pola aksjonowego o domenowej strukturze. Chcemy również zbadać możliwość istnienia (i wykrycia) ciemnych gwiazd i ciemnych planet. Istnienie takich planet byłoby jedną z form istnienia ciemnej materii.