Łowcy Ciemnej Materii szukają skał w poszukiwaniu nowych wskazówek


Za prawie dwa Tuzin podziemnych laboratoriów rozproszonych po całej ziemi, wykorzystując kadzie cieczy lub bloki metalu i półprzewodników, naukowcy poszukują dowodów ciemnej materii. Ich eksperymenty stają się coraz bardziej skomplikowane, a poszukiwania stają się coraz bardziej precyzyjne, ale poza dużym zakwestionowanym sygnałem pochodzącym z laboratorium we Włoszech nikt nie znalazł bezpośredniego dowodu na tajemniczy materiał, który stanowi 84% całej sprawy. we wszechświecie.

Nowe badanie sugeruje, że powinniśmy wyglądać głębiej.

Magazyn Quanta


zdjęcie autora

O

Oryginalna historia została wydana za zgodą Quanta Magazine, niezależnej od publikacji publikacji Fundacji Simonsa, której misją jest poprawa publicznego rozumienia nauki poprzez badania naukowe i tendencje w matematyce oraz naukach fizycznych i przyrodniczych.

Ciemna materia różni się od regularnej materii barionowej – materii, która tworzy gwiazdy, galaktyki, psy, ludzi i wszystko inne – w tym, że nie współdziała ona z niczym poza grawitacją (i być może ze słabą siłą jądrową). Nie możemy tego zobaczyć, ale fizycy są niemal pewni, że tam jest, rzeźbiąc galaktyki i ich ścieżki przez kosmos.

Przez wiele dziesięcioleci preferowani kandydaci na cząstki ciemnej materii byli hipotetycznymi, nieśmiałymi rzeczami zwanymi słabo oddziałującymi masywnymi cząstkami, czyli WIMP. Wiele eksperymentów szuka ich, szukając dowodów, że WIMP przyszedł i zapukał do zwykłej materii. W tym scenariuszu WIMP dotknąłby jądra atomowego przez słabą siłę. Zaskoczone jądro cofałoby się i emituje pewną energię, na przykład błysk światła lub falę dźwiękową. Wykrywanie tak ledwo dostrzegalnych zjawisk wymaga wrażliwych instrumentów, zwykle zakopanych głęboko pod ziemią. W większości przypadków instrumenty są chronione przed promieniami kosmicznymi, które mogą również powodować odrzuty jądra.

Po poszukiwaniach tych słabych dźwięków przez dziesięciolecia naukowcy mają mało mocnych dowodów, aby to pokazać. Teraz zespół fizyków w Polsce, Szwecji i USA ma inny pomysł. Nie spoglądajcie na german, ksenon i scyntylatory w wykrywaczach zakopanych pod ziemską skorupą, argumentują: Spójrzcie na skorupę planety. W zapisie rockowym, gdzie leżały opowieści o przeszłości naszego Układu Słonecznego, możemy znaleźć skamieniały odrzut zaskakujących jąder atomowych, zamarznięte ślady WIMP.

"Zawsze szukamy alternatywnych sposobów robienia rzeczy" – powiedziała Katherine Freese, fizyk teoretyczny na Uniwersytecie w Michigan i autorka pomysłów stojących za niektórymi istniejącymi detektorami.

Katherine Freese opracowała szereg pomysłów na detektory ciemnej materii. Niektóre z jej pomysłów zostały przekształcone w eksperymenty.

Podziemny detektor paleo będzie działał w sposób podobny do obecnych metod bezpośredniego wykrywania, jak twierdzi Freese i jej współpracownicy. Zamiast tego, wyposażając laboratorium w dużą objętość cieczy lub metalu, aby obserwować odrzuty WIMP w czasie rzeczywistym, szukali śladów kopalnych WIMP-ów uderzających w jądra atomu. Gdy odskoczy jądro, zostawią ślady uszkodzeń w niektórych klasach minerałów.
Jeśli jądro cofa się z wystarczającą siłą i jeśli atomy, które są zakłócone, są następnie głęboko zakopane w ziemi (aby osłaniać próbkę przed promieniami kosmicznymi, które mogą zamącić dane), można zachować ścieżkę odrzutu. Jeśli tak, naukowcy mogą wykopać kamień, oderwać warstwy czasu i zbadać dawno minione wydarzenie za pomocą wyrafinowanych technik nanoobrazowania, takich jak mikroskopia sił atomowych. Końcowym rezultatem byłby ślad kopalny: odpowiednik ciemnej materii, który znalazł ślad zauropoda, gdy uciekał przed drapieżnikiem.

Tiny Taps

Około pięć lat temu Freese zaczął wymyślać pomysły na nowe typy detektorów z Andrzejem Drukielem, fizykiem na Uniwersytecie w Sztokholmie, który rozpoczął karierę, badając wykrywanie ciemnej materii, zanim przeniósł się do biofizyki. Jeden z ich pomysłów, opracowany wspólnie z biologiem Georgem Churchem, obejmował detektory ciemnej materii oparte na DNA i reakcjach enzymatycznych.

W 2015 r. Drukier udał się do Nowosybirska w Rosji, aby pracować nad prototypowym wykrywaczem biologicznym znajdującym się pod powierzchnią ziemi. W Rosji dowiedział się o odwiertach wywierconych podczas zimnej wojny, z których niektóre sięgają 12 kilometrów w dół. Żadne promienie kosmiczne nie mogą przeniknąć tak daleko. Drukier był zaintrygowany.

Typowe detektory ciemnej materii są stosunkowo duże i bardzo wrażliwe na nagłe zdarzenia. Przeprowadzają swoje poszukiwania przez kilka lat, ale w przeważającej części szukają kranów WIMP w czasie rzeczywistym. Minerały, mimo że są stosunkowo małe i mniej wrażliwe na interakcje z WIMP, mogą stanowić poszukiwania trwające setki milionów lat.

"Te kawałki skał, usunięte z bardzo, bardzo głębokich rdzeni, mają w rzeczywistości miliard lat", powiedział Drukier. "Im głębiej idziesz, tym jest starszy. Nagle nie musisz budować wykrywacza. Masz wykrywacz w ziemi. "

Ziemia stwarza własne problemy. Planeta jest pełna radioaktywnego uranu, który wytwarza neutrony w miarę rozpadu. Te neutrony mogą także uderzać w jądra. Freese powiedział, że początkowa praca zespołu opisująca paleo-detektory nie wyjaśniała hałasu spowodowanego rozpadem uranu, ale mnóstwo komentarzy od innych zainteresowanych naukowców sprawiło, że wrócili i dokonali przeglądu. Zespół spędził dwa miesiące badając tysiące minerałów, aby zrozumieć, które z nich są odizolowane od rozkładu uranu. Twierdzą, że najlepsze detektory paleo będą składać się z parów morskich – w zasadzie soli kamiennej – lub w skałach zawierających bardzo mało krzemionki, które nazywane są ultrazasadowymi skałami. Ponadto szukają minerałów, które mają dużo wodoru, ponieważ wodór skutecznie blokuje neutrony pochodzące z rozpadu uranu.

Halit, bardziej znany jako sól kamienna, jest ultrazasadową skałą, która może potencjalnie służyć jako detektor ciemnej materii.

Poszukiwanie odskoków kopalnych może być dobrym sposobem na poszukiwanie WIMP o niskiej masie, powiedziała Tracy Slatyer, fizyk teoretyczny w Massachusetts Institute of Technology, który nie był zaangażowany w badania.

"Szukacie jądra skaczącego z pozornie bez powodu, ale musicie przeskoczyć o pewną kwotę, abyście mogli to zobaczyć. Jeśli odbijam piłeczkę pingpongową od kuli do kręgli, nie zobaczymy, jak kula kulkowa porusza się bardzo – lub lepiej będzie w stanie wykryć całkiem niewielkie zmiany w ruchu kuli do gry w kręgle – powiedziała . "To nowy sposób na zrobienie tego."

Najtrudniejszy eksperyment

Prace w terenie nie byłyby łatwe. Badania musiałyby odbywać się głęboko pod ziemią, gdzie próbki rdzenia byłyby chronione przed promieniowaniem kosmicznym i słonecznym. Wymagałoby też najnowocześniejszego nanoobrazowania, aby rozwiązać dowody okiełznania jądra.
Nawet jeśli WIMP pozostawiają widoczną bliznę, główną troską dla paleo-detektorów będzie zapewnienie, że skamieliny rzeczywiście pochodzą z cząstek ciemnej materii, powiedział Slatyer. Naukowcy będą musieli spędzić dużo czasu przekonując samych siebie, że odrzuty nie są działaniem neutronów, neutrin ze słońca, czy czymś innym, powiedziała.

"Stanowią one dobry przypadek, w którym można wejść dość głęboko, by osłonić się przed promieniami kosmicznymi" – powiedziała – "ale to nie jest kontrolowany system. To nie jest laboratorium. Być może nie znasz dobrze historii tych skał. Nawet gdybyś odebrał od niego sygnał, musiałbyś znacznie więcej pracy, by być naprawdę przekonanym, że nie widziałeś jakiegoś tła.

Drukier i Freese twierdzili, że siła paleo-detektorów może leżeć w liczbach. Skała zawiera mnóstwo minerałów, z których każdy ma jądra atomowe, które w różny sposób odskakują od grabiących WIMP. Różne elementy będą zatem służyć jako różne detektory, wszystkie zapakowane w jedną próbkę rdzeniową. To pozwoliłoby eksperymentatorom zobaczyć spektrum odrzutów, potwierdzając ich dowody i potencjalnie pozwalając im wyciągnąć wnioski na temat masy WIMP, powiedział Freese. W przyszłości paleo-detektor może nawet dostarczyć rekord WIMP w czasie, tak jak zapis kopalny pozwala paleontologom odtworzyć historię życia na Ziemi.

Dla Slatyera długa płyta mogłaby zaoferować unikalną sondę halo ciemnej materii Drogi Mlecznej, chmurę niewidzialnego materiału, który Ziemia przepływa, gdy układ słoneczny tworzy swoją 250-milionową orbitę wokół centrum galaktyki. Zrozumienie sposobu dystrybucji ciemnej materii Drogi Mlecznej może zapewnić wgląd w jej fizyczne zachowanie, powiedział Slatyer. Może nawet wykazać, że ciemna materia wchodzi w interakcję ze sobą w sposób wykraczający poza grawitację.

"To jest miejsce, w którym teoria i modelowanie wciąż jest bardzo aktywne", powiedziała.

To jednak nadal daleko od rzeczywistości. Freese i Drukier twierdzą, że paleo-detektor musi najpierw wykazać, że może znaleźć odrzuty pozostawione przez znane cząsteczki, takie jak neutrina słoneczne. Następnie muszą udowodnić, że potrafią izolować szlaki WIMP od tych zwykłych odrzutów.

"To poważna zmiana perspektywy" – powiedział Drukier. "Czy znajdziemy ciemną materię? Spędziłem 35 lat szukając tego. To chyba najtrudniejszy eksperyment na świecie, więc możemy nie mieć szczęścia. Ale jest fajnie. "

Oryginalna historia została wydana za zgodą Quanta Magazine, niezależnej od publikacji publikacji Fundacji Simonsa, której misją jest poprawa publicznego rozumienia nauki poprzez badania naukowe i tendencje w matematyce oraz naukach fizycznych i przyrodniczych.


Więcej wspaniałych opowiadań WIRED