Defnyddio datgelyddion tonnau disgyrchiant i helpu i ddatrys y dirgelwch mwyaf ym meysydd ffiseg a seryddiaeth

Mae gwyddonwyr wedi datblygu ffordd newydd o chwilio am fater tywyll anodd ei ddatgelu, sef 85% o’r holl fater yn y bydysawd, a hynny gan ddefnyddio datgelyddion sydd i fod i arsylwi tonnau disgyrchiant.

Cyrhaeddodd yr ymchwilwyr, a oedd yn chwilio am fath tra ysgafn o fater tywyll, welliant ffactor 10,000 ar ganlyniadau blaenorol o’r radd flaenaf gan ddefnyddio data’r Arsyllfa Tonnau Disgyrchiant Ymyraduron Laser (LIGO) o 2019-2020.

Targedodd y dadansoddiad cyntaf o'i fath, dan arweiniad gwyddonwyr ym Mhrifysgol Caerdydd, newidiadau cynnil yn nrychau'r offeryn a achoswyd gan fater tywyll ac sy’n bosibl oherwydd manylrwydd heb ei ail LIGO wrth nodi newidiadau sy’n llai na diamedr niwclews atomig.

Mae eu canfyddiadau, a gyhoeddwyd yn Physical Review Letters, yn gosod terfynau newydd ar gyfer cryfder mater tywyll tra ysgafn, a all gael eu gwella ymhellach gan ddefnyddio data newydd.

Dywedodd yr Athro Hartmut Grote o Ysgol Ffiseg a Seryddiaeth Prifysgol Caerdydd, a gychwynnodd yr astudiaeth: “Mae’n debyg mai problem mater tywyll – arsylwi màs heb ei briodoli yn y bydysawd – yw’r dirgelwch mwyaf heb ei ddatrys ym meysydd ffiseg a seryddiaeth.

“Ers mwy na 50 mlynedd, mae ymchwilwyr wedi ceisio deall o beth mae’r màs hwn wedi’i wneud, sut cafodd ei greu, ac o ble daeth e.”

Tiwbiau gwactod sy’n gilomedr o hyd ac ar ffurf L yw datgelyddion tonnau disgyrchiant. Drwyddyn nhw, mae paladr laser yn cael ei bownsio’n ôl ac ymlaen rhwng drychau sydd gyferbyn â’i gilydd ar ben pob braich.

Mae gwyddonwyr yn chwilio am arwyddion o don disgyrchiant yn cyrraedd y datgelyddion drwy edrych am ddiffyg cyfatebiaeth fychan yn yr amser y mae’n ei gymryd i bob paladr gwblhau ei daith.

Dywedodd y prif awdur, Dr Alexandre Göttel o Ysgol Ffiseg a Seryddiaeth Prifysgol Caerdydd: “Gallwn ni feddwl am ddatgelyddion LIGO yn yr un modd â datgelu synau.”

Mae’r ‘sibrwd’ hwn yn cyfeirio at y rhyngweithio newydd rhwng mater tywyll a rhai o ddrychau LIGO, sef yr hyn a nodwyd gan dîm Prifysgol Caerdydd.

Er mwyn nodi beth yn union oedd y datgelydd yn ei fesur, datblygodd yr ymchwilwyr efelychiadau manwl o’r rhyngweithiadau cymhleth ac amledd-ddibynnol hyn rhwng mater tywyll a’r paladrau laser.

Cafodd dull cyfrifo newydd hefyd ei greu i brosesu eu canlyniadau ar raddfa fwy.

Ychwanegodd Dr Göttel: “Pe bai mater tywyll yn cynnwys gronynnau trwm yn unol â’n disgwyliadau gwreiddiol, mae’n debyg y byddai wedi cael ei ddarganfod erbyn hyn. Dangoswyd bod damcaniaethau tonnau ynghylch mater tywyll yn esbonio'r holl ffenomenau a arsylwir ac maen nhw’n ymgeisydd amgen cryf.

“Mae ein dull yn ei gwneud hi’n bosibl cynnwys llawer mwy o ddata yn ein dadansoddiadau, gan ddatgloi potensial llawn datgelyddion tonnau disgyrchiant y dyfodol a’u gosod ar flaen y gad o ran chwiliadau am fater tywyll tra ysgafn nawr ac yn y dyfodol.

“Mae hyn hyd yn oed yn fwy cyffrous o gofio mai data cymharol ‘hen’ o 2019-2020 a gafodd eu defnyddio gennyn ni, sy’n golygu y bydd ein canlyniadau’n gwella hyd yn oed yn fwy wrth i ddata newydd gael eu cofnodi gan LIGO.”

Ar hyn o bryd, mae’r tîm yn gweithio ar gynnwys rhagor o ddata gan LIGO yn ei gyfrifiadau, ac mae’n credu y bydd y cyfrifiadau hyn yn gallu rhagori ymhellach ar y terfynau presennol ar gyfer mater tywyll tra ysgafn.

Dywedodd Dr Vivien Raymond, un arall o awduron y papur o Ysgol Ffiseg a Seryddiaeth Prifysgol Caerdydd, hefyd: “Mae’n hynod ddiddorol sut mae arsyllfeydd tonnau disgyrchiant, a gafodd eu cynllunio i astudio digwyddiadau biliynau o flynyddoedd golau i ffwrdd, yn rhoi mesuriadau mor fanwl fel y gallen ni ail-bwrpasu eu data i nodi effaith mater tywyll ar y drychau eu hunain.”

Mae’r papur, ‘Searching for scalar field dark matter with LIGO’, wedi’i gyhoeddi yn Physical Review Letters.