Dark Matter Hunters meklē Inside Rocks for New Clues


Gandrīz divos duci pazemes laboratoriju, kas izkaisītas pa visu zemi, izmantojot šķidruma tvertnes vai metāla un pusvadītāju blokus, zinātnieki meklē pierādījumus par tumšo vielu. Viņu eksperimenti kļūst arvien sarežģītāki, un meklējumi kļūst precīzāki, taču, neskatoties uz daudz apstrīdēto signālu, kas nāk no laboratorijas Itālijā, neviens nav atradis tiešus pierādījumus par noslēpumaino materiālu, kas, domājams, veido 84 procentus no lietas Visumā.

Jauns pētījums liecina, ka mums vajadzētu izskatīties dziļāk.

Quanta Magazine


autora fotogrāfija

Par

Oriģināls stāsts, kas pārpublicēts ar Quanta Magazine, redakcionāli neatkarīga Simons fonda publikāciju, kura uzdevums ir veicināt sabiedrības izpratni par zinātni, aptverot matemātikas un fizisko un dzīvības zinātņu attīstības tendences un tendences.

Tumšā viela atšķiras no parastā, baryoniskā jautājuma – stuff, kas padara zvaigznes, galaktikas, suņus, cilvēkus un visu pārējo – jo tā neko mijiedarbojas ar kaut ko, izņemot gravitācijas (un varbūt vājo kodolieroču). Mēs to nevaram redzēt, bet fiziķi ir visi, bet noteikti ir, turot galaktikas un to ceļus caur kosmosu.

Daudzus gadu desmitus labvēlīgos pretendentus uz tumšās vielas daļiņām ir bijušas hipotētiskas kautrīgas lietas, ko sauc par vāji mijiedarbīgām masveida daļiņām vai WIMP. Daudzi eksperimenti meklē tos, meklējot pierādījumus tam, ka WIMP ir ieradies un klauvis regulāri. Šajā scenārijā WIMP ar vājo spēku piesaistītu atomu kodolu. Pārsteidzošs kodols tad atgūsies un emitētu kādu enerģijas veidu, piemēram, gaismas zibspuldzi vai skaņas viļņu. Šādu tikko uztveramu parādību atklāšana prasa jutīgus instrumentus, kas parasti tiek apglabāti dziļi zemē. Tas lielākoties ir tāds, ka instrumenti ir pasargāti no pretrunīgiem kosmiskiem stariem, kas var izraisīt arī kodolu atjaunošanos.

Pēc tam, kad tie ir meklējuši šos vājos impulsus jau vairākus gadu desmitus, zinātniekiem ir maz pierādījumu par to. Tagad fiziķu komandai Polijā, Zviedrijā un ASV ir vēl viena ideja. Viņi apgalvo: neredziet germāniju un ksenonu un scintilatorus detektoros, kas apglabāti zem zemes garozas, skatīties uz planētas garozu. Akmens ierakstā, kur tika apglabāti mūsu Saules sistēmas pagātnes stāsti, mēs varam atrast apburto atbaidītu atomu kodolu, WIMP sasaldēto pēdu.

„Mēs vienmēr esam apsteidzoši, lai rastu alternatīvus risinājumus,” teica Katherine Freese, Mičiganas Universitātes teorētiskais fiziķis un ideju arhitekts, kas aizstāv dažus esošos detektorus.

Katherine Freese ir izstrādājusi vairākas idejas tumšās vielas detektoriem. Dažas no viņas idejām ir pārvērstas eksperimentos.

Saskaņā ar Freese un viņas kolēģiem pazemes paleo detektors strādātu līdzīgi pašreizējām tiešās noteikšanas metodēm. Tā vietā, lai izveidotu laboratoriju ar lielu daudzumu šķidruma vai metāla, lai reālā laikā novērotu WIMP atjaunošanos, viņi meklētu WIMP fosilās pēdas, kas satveras atomu kodolos. Atjaunojoties kodoliem, dažās minerālu klasēs viņi atstās bojājumus.
Ja kodols atgriežas ar pietiekamu enerģiju, un, ja atomi, kas ir traucēti, tad tiek apglabāti dziļi zemē (lai pasargātu paraugu no kosmiskiem stariem, kas var dūmot datus), tad atgriešanās trase varētu tikt saglabāta. Ja tā, pētnieki var izrakt klintī, atdalīt laika slāņus un izpētīt senu notikumu, izmantojot sarežģītas nano attēlveidošanas metodes, piemēram, atomu spēka mikroskopiju. Gala rezultāts būtu fosilais ceļš: tumšās vielas līdzeklis, lai atrastu sauropoda pēdas nospiedumu, jo tas aizbēga no plēsoņa.

Tiny Taps

Apmēram piecus gadus atpakaļ Freese sāka pārdomāt jaunas detektoru idejas ar Andrzej Drukier, fiziķis šobrīd Stokholmas Universitātē, kurš sāka savu karjeru, pētot tumšās vielas noteikšanu, pirms tā bija vērsta uz biofiziku. Viena no viņu idejām, ko izstrādāja kopā ar bioloģisko Džordža baznīcu, ietvēra tumšās vielas detektorus, pamatojoties uz DNS un enzīmu reakcijām.

2015. gadā Drukier devās uz Novosibirsku, lai strādātu pie bioloģiskā detektora prototipa, kas atradīsies zem zemes virsmas. Krievijā viņš uzzināja par aukstuma laikā urbtajiem urbumiem, no kuriem daži sasniedz 12 kilometrus. Neviens kosmiskais starojums nevar iekļūt tik tālu. Drukieram bija interese.

Tipiski tumšās vielas detektori ir salīdzinoši lieli un ļoti jutīgi pret pēkšņiem notikumiem. Viņi meklē savus meklējumus vairāku gadu garumā, bet lielākoties viņi meklē reāllaika WIMP krānus. Minerāli, kas ir salīdzinoši mazi un mazāk jutīgi pret WIMP mijiedarbību, varētu būt meklējumi, kas turpinās simtiem miljonu gadu.

"Šie akmens gabali, noņemti no ļoti dziļajiem kodoliem, faktiski ir miljardi gadu veci," sacīja Drukjers. “Jo dziļāk jūs iet, jo vecāks tas ir. Tātad pēkšņi jums nav nepieciešams izveidot detektoru. Jums ir detektors zemē. ”

Zeme rada savas problēmas. Planēta ir pilna ar radioaktīvo urānu, kas ražo neitronus, kad tas samazinās. Šie neitroni var arī apcirpt kodolus apkārt. Freese sacīja, ka komandas sākotnējais papīrs, kas apraksta paleo detektorus, neatbilda urāna sabrukuma radītajam troksnim, bet citu ieinteresēto zinātnieku komentāru pārgriezumi atgriezās un pārskatīja. Komanda pavadīja divus mēnešus, pētot tūkstošiem minerālvielu, lai saprastu, kuras no tām ir izolētas no urāna sabrukšanas. Viņi apgalvo, ka labākie paleo detektori sastāvētu no jūras iztvaikojumiem – būtībā akmens sāls – vai akmeņos, kas satur ļoti maz silīcija dioksīda, ko sauc par ultrabazisko iežu. Turklāt viņi meklē minerālus, kuriem ir daudz ūdeņraža, jo ūdeņradis efektīvi bloķē neitronus, kas nāk no urāna sabrukšanas.

Halīts, vairāk pazīstams kā akmens sāls, ir ultrabazisks klints, ko varētu izmantot kā tumšās vielas detektoru.

Fosilās atgūšanas meklējumi var būt labs veids, kā meklēt zemas masas WIMP, teica Tracy Slatyer, teorētiskais fiziķis Masačūsetsas Tehnoloģijas institūtā, kurš nebija iesaistīts pētījumā.

„Jūs meklējat kodolu, kas lēkā, šķiet, nav iemesla, bet tai ir jāpārlēkt ar noteiktu summu, lai jūs to redzētu. Ja es bingu Ping-Pong bumbu no boulinga bumbas, mēs neredzēsim boulinga bumbu ļoti daudz – vai jūs labāk varētu atklāt diezgan nelielas izmaiņas boulinga bumbas kustībā, ”viņa teica . "Tas ir jauns veids, kā to izdarīt."

Visgrūtākais eksperiments

Iesaistītie lauka darbi nebūtu viegli. Pētniecībai būtu jānotiek dziļi pazemē, kur galvenie paraugi būtu pasargāti no kosmiskā un saules starojuma. Un, lai atrisinātu kodolu nudzēšanas pierādījumus, būs nepieciešama modernākā nano attēlveidošana.
Pat ja WIMP atstāj ievērojamu rētu, galvenās rūpes par paleo detektoriem būs nodrošināt, ka fosilie ceļi patiešām nāk no tumšās vielas daļiņām. Pētniekiem būs jāpavada daudz laika, lai pārliecinātos, ka atgriešanās nav neitronu, neitrīnu no saules, vai kaut kas cits darbs, viņa teica.

„Viņi dara labu gadījumu, ka jūs varat doties diezgan dziļi, lai pasargātu no kosmiskiem stariem,” viņa teica, „bet tā nav kontrolēta sistēma. Tā nav laboratorija. Šo akmens noguldījumu vēsture nav labi zināma. Pat ja jūs prasītu no tā signālu, jums būtu jādara daudz vairāk, lai būtu patiesi pārliecināts, ka jūs neredzat kādu fonu. ”

Drukjers un Freese gan teica, ka paleo-detektoru stiprums var būt skaitļos. Akmens sastāvā ir daudz minerālu, katrs ar atomu kodoliem, kas dažādos veidos atgūsies no vājā WIMP. Tāpēc dažādi elementi kalpotu kā atšķirīgi detektori, kas visi ietīti vienā galvenajā paraugā. Tas ļautu eksperimentālistiem apskatīt dažāda veida atkārtojumus, apstiprinot to pierādījumus un ļaujot viņiem izdarīt secinājumus par WIMP masu, teica Freese. Nākotnē, paleo-detektors varētu pat nodrošināt WIMP ierakstu laikā, tāpat kā fosilais ieraksts ļauj paleontologiem rekonstruēt dzīves vēsturi uz Zemes.

Lai Slatyeram, garais ieraksts varētu piedāvāt unikālu Piena ceļa tumšo vielu halo, neredzamā materiāla mākoņu, ko Zeme peld cauri, saules sistēma padara 250 miljonu gadu orbītu ap galaktikas centru. Izpratne par to, kā Piena ceļa tumšā viela tiek izplatīta, varētu sniegt ieskatu tās fiziskajā uzvedībā. Tas pat varētu pierādīt, vai tumšā viela mijiedarbojas ar sevi tādā veidā, kas pārsniedz gravitāciju.

„Šī ir vieta, kur teorija un modelēšana joprojām ir ļoti aktīva,” viņa teica.

Tomēr tas joprojām ir tālu no realitātes. Freese un Drukier saka, ka principa paleo-detektoram vispirms ir jāpierāda, ka tā var atrast atpazīšanas dziesmas, ko atstāj zināmas daļiņas, piemēram, saules neitrīnie. Tad viņiem jāpierāda, ka viņi var izolēt WIMP takas no šīm parastajām atvilktnēm.

"Tā ir būtiska perspektīvas maiņa," teica Drukier. „Vai mēs atradīsim tumšu vielu? Es to pavadīju 35 gadus. Tas, iespējams, ir visgrūtākais eksperiments pasaulē, tāpēc mēs, iespējams, nebūsim laimīgi. Bet tas ir foršs. ”

Oriģināls stāsts, kas pārpublicēts ar Quanta Magazine, redakcionāli neatkarīga Simons fonda publikāciju, kura uzdevums ir veicināt sabiedrības izpratni par zinātni, aptverot matemātikas un fizisko un dzīvības zinātņu attīstības tendences un tendences.


Lielāki WIRED stāsti