Universum är en förvånansvärt hemlig plats. Mystiska ämnen som kallas mörk materia och mörk energi står för cirka 95% av den. Trots stora ansträngningar för att ta reda på vad de är, vi vet helt enkelt inte.

Vi vet att mörk materia existerar på grund av gravitationskraften i galaxkluster - det material vi kan se i ett kluster räcker bara inte för att hålla ihop det genom gravitationen. Så det måste finnas lite extra material där, består av okända partiklar som helt enkelt inte är synliga för oss. Flera kandidatpartiklar har redan föreslagits.

Forskare försöker räkna ut vad dessa okända partiklar är genom att titta på hur de påverkar det vanliga materialet vi ser runt omkring oss. Men hittills har det visat sig svårt, så vi vet att det i bästa fall bara interagerar svagt med normal materia. Nu har min kollega Benjamin Varcoe och jag kommit på ett nytt sätt att undersöka mörk materia som bara kan visa sig vara framgångsrik:genom att använda atomer som har sträckts till 4, 000 gånger större än vanligt.

Fördelaktiga atomer

Vi har kommit långt från grekernas vision om atomer som de odelbara komponenterna i all materia. Det första bevisbaserade argumentet för förekomsten av atomer presenterades i början av 1800-talet av John Dalton. Men det var inte förrän i början av 1900 -talet som JJ Thomson och Ernest Rutherford upptäckte att atomer består av elektroner och en kärna. Strax efter, Erwin Schrödinger beskrev atomen matematiskt med hjälp av det som idag kallas kvantteori.

Moderna experiment har kunnat fånga och manipulera enskilda atomer med enastående precision. Denna kunskap har använts för att skapa ny teknik, som lasrar och atomur, och framtida datorer kan använda enstaka atomer som sina primära komponenter.

Enskilda atomer är svåra att studera och kontrollera eftersom de är mycket känsliga för yttre störningar. Denna känslighet är vanligtvis ett besvär, men vår studie tyder på att det gör vissa atomer idealiska som sonder för detektering av partiklar som inte interagerar starkt med vanlig materia - som mörk materia.

Vår modell bygger på det faktum att svagt interagerande partiklar måste studsa från kärnan i atomen den kolliderar med och utbyta en liten mängd energi med den - liknande kollisionen mellan två poolbollar. Energiutbytet kommer att producera en plötslig förskjutning av kärnan som så småningom kommer att kännas av elektronen. Detta betyder att hela energin i atomen förändras, som kan analyseras för att få information om egenskaperna hos den kolliderande partikeln.

Mängden överförd energi är dock mycket liten, så en speciell typ av atom är nödvändig för att göra interaktionen relevant. Vi räknade ut att den så kallade "Rydberg-atomen" skulle göra susen. Dessa är atomer med långa avstånd mellan elektronen och kärnan, vilket betyder att de har hög potentialpotential. Potentiell energi är en form av lagrad energi. Till exempel, en boll på en hög hylla har potentiell energi eftersom den kan omvandlas till rörelseenergi om den faller ner från hyllan.

I labbet, det är möjligt att fånga atomer och förbereda dem i ett Rydberg -tillstånd - vilket gör dem så stora som 4, 000 gånger sin ursprungliga storlek. Detta görs genom att belysa atomerna med en laser med ljus med en mycket specifik frekvens.

Denna förberedda atom är sannolikt mycket tyngre än partiklarna i mörk materia. Så snarare än att en poolboll slår en annan, en mer lämplig beskrivning kommer att vara en marmor som träffar en bowlingboll. Det verkar konstigt att stora atomer störs mer av kollisioner än små - man kan förvänta sig det motsatta (mindre saker påverkas vanligtvis mer när en kollision inträffar).

Förklaringen är relaterad till två särdrag hos Rydbergatomer:de är mycket instabila på grund av sin förhöjda energi, så mindre störningar skulle störa dem mer. Också, på grund av deras stora yta, sannolikheten för att atomerna interagerar med partiklar ökar, så de kommer att drabbas av fler kollisioner.

Ser de minsta partiklarna

Nuvarande experiment letar vanligtvis efter partiklar av mörk materia genom att försöka upptäcka deras spridning från atomkärnor eller elektroner på jorden. De gör detta genom att leta efter ljusa eller fria elektroner i stora tankar med flytande ädelgaser som genereras genom energiöverföring mellan partikeln av mörk materia och vätskans atomer.

Men, enligt kvantmekanikens lagar, det måste finnas en viss minsta energiöverföring för att ljuset ska produceras. En analogi skulle vara en partikel som kolliderar med en gitarrsträng:den kommer att producera en ton som vi kan höra, men om partikeln är för liten kommer strängen inte att vibrera alls.

Så problemet med dessa metoder är att partikeln av mörk materia måste vara tillräckligt stor för att vi ska kunna upptäcka det på detta sätt. Dock, våra beräkningar visar att Rydbergatomerna kommer att störas på ett betydande sätt även av partiklar med låg massa-vilket betyder att de kan appliceras för att söka efter kandidater till mörk materia som andra experiment missar. En av sådana partiklar är Axion, en hypotetisk partikel som är en stark kandidat för mörk materia.

Experiment skulle kräva att atomerna behandlades med extrem försiktighet, men de kommer inte att behöva göras i en djup underjordisk anläggning som andra experiment, eftersom Rydbergatomerna förväntas vara mindre mottagliga för kosmiska strålar jämfört med mörk materia.

Vi arbetar för att ytterligare förbättra systemets känslighet, syftar till att utöka intervallet av partiklar som den kan uppfatta.

Utöver mörk materia strävar vi också efter att en dag tillämpa den för detektering av gravitationella vågor, krusningarna i rymdväven som Einstein förutspådde för länge sedan. Dessa störningar av rymdtidskontinuum har nyligen upptäckts, men vi tror att genom att använda atomer kan vi kanske upptäcka gravitationella vågor med en annan frekvens än de som redan observerats.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.