Tamsūs medžiotojai ieško naujų akmenų uolų


Beveik du dešimtis požeminių laboratorijų, išsibarsčiusių visame pasaulyje, naudojant skysčio arba metalo ir puslaidininkių blokus, mokslininkai ieško tamsiosios medžiagos įrodymų. Jų eksperimentai tampa vis sudėtingesni, o paieška tampa vis tikslesnė, tačiau, nepaisant labai ginčytino signalo, gauto iš laboratorijos Italijoje, niekas nerado tiesioginių įrodymų apie paslaptingą medžiagą, kuri, kaip manoma, sudaro 84 proc. visatoje.

Naujas tyrimas rodo, kad turėtume atrodyti giliau.

„Quanta Magazine“


autoriaus nuotrauka

Apie

Originalus pasakojimas pakartotinai atspausdintas leidimu iš „Quanta Magazine“, redakciniu požiūriu nepriklausomo „Simons Foundation“ leidinio, kurio misija yra didinti visuomenės supratimą apie mokslą, apimant matematikos ir fizinių bei gyvosios gamtos mokslų mokslinių tyrimų raidą ir tendencijas.

Tamsioji medžiaga skiriasi nuo reguliarios, baryoninės medžiagos – medžiagos, kuria žvaigždės, galaktikos, šunys, žmonės ir visa kita – tuo, kad nesusijusi su nieko, išskyrus gravitaciją (ir galbūt silpną branduolinę jėgą). Mes negalime to matyti, tačiau fizikai yra tiktai tam tikri, jie ten skulptuoja galaktikas ir jų takus per kosmosą.

Daugelį dešimtmečių pirmenybę teikiantys tamsiosios medžiagos dalelių kandidatai buvo hipotetiniai drovūs dalykai, vadinami silpnai sąveikaujančiomis masinėmis dalelėmis arba WIMP. Daugelis eksperimentų juos ieško ieškodami įrodymų, kad „WIMP“ atėjo ir nukrito reguliariai. Šiame scenarijuje WIMP per silpnąją jėgą sukels atominį branduolį. Nustebęs branduolys tada sugrįžtų ir spinduluotų tam tikrą energijos rūšį, pvz., Šviesos blykstę ar garso bangą. Tokių vos pastebimų reiškinių nustatymui reikalingi jautrūs instrumentai, paprastai palaidoti giliai po žeme. Tai dažniausiai yra todėl, kad instrumentai yra apsaugoti nuo baisių kosminių spindulių, kurie taip pat gali sukelti branduolius.

Po dešimtmečių ieškodami šių silpnų polių, mokslininkai turi mažai sunkių įrodymų, kuriuos jis gali parodyti. Dabar fizikų komanda Lenkijoje, Švedijoje ir JAV turi kitą idėją. Pažiūrėkite ne į germanį ir ksenoną bei scintiliatorius, esančius detektoriuose, kurie palaidoti po žemės plutos, – jie žiūri į pačią planetos plutą. Roko įraše, kur buvo palaidotas mūsų saulės sistemos praeities pasakojimų, galime rasti iškastinį atsilikimą nuo nustebusių atominių branduolių, užšaldytų WIMP pėdsakų.

„Mes visuomet įsišaknijome alternatyvių būdų, kaip tai padaryti,“, – sakė teorinis fizikas Mičigano universitete Katherine Freese ir kai kurių veikiančių detektorių idėjų architektas.

Katherine Freese sukūrė nemažai idėjų tamsių medžiagų detektoriams. Kai kurios jos idėjos tapo eksperimentais.

Pasak Freese ir jos kolegų, požeminis paleo detektorius veiktų panašiai kaip ir dabartiniai tiesioginio aptikimo metodai. Užuot įrengę laboratoriją, turinčią didelį kiekį skysčio ar metalo, kad stebėtų WIMP grįžtamąjį ryšį realiu laiku, jie ieškotų iškastinių WIMP pėdsakų, kurie susitrenktų į atominius branduolius. Kai branduoliai atsitraukia, kai kuriose mineralų klasėse jie paliks žalos.
Jei branduolys sugrįžtų pakankamai energingai, o jei atomai, kurie yra sutrikę, yra palaidoti giliai į žemę (kad apsaugotų mėginį iš kosminių spindulių, kurie gali sudrėkinti duomenis), tuomet sugrįžimo takas gali būti išsaugotas. Jei taip, mokslininkai gali iškirsti roko, nulupti laiko sluoksnius ir ištirti seniai įvykusį įvykį, naudojant sudėtingus nanotechnologijos metodus, tokius kaip atominės jėgos mikroskopija. Galutinis rezultatas būtų iškastinis takas: tamsios medžiagos atitikmuo surasti sauropodo pėdsaką, kai jis pabėgo nuo plėšrūnų.

Mažos sklendės

Prieš penkerius metus „Freese“ pradėjo skleisti idėjas naujiems detektorių tipams, o Andrzej Drukier – fizikas dabar Stokholmo universitete, kuris pradėjo savo karjerą tiriant tamsios medžiagos aptikimą prieš pasukdamas į biofiziką. Viena iš jų idėjų, sukurta kartu su biologu George'u Bažnyčia, apėmė tamsiųjų medžiagų detektorius, pagrįstus DNR ir fermentų reakcijomis.

2015 m. Drukieris nuvyko į Novosibirską, norėdamas dirbti su prototipo biologiniu detektoriumi, kuris bus patalpintas po žemės paviršiaus. Rusijoje jis sužinojo apie šaltojo karo metu išgręžtus gręžinius, kurių dalis pasiekė 12 kilometrų. Jokie kosminiai spinduliai negali prasiskverbti į toli. Drukieris buvo intriguotas.

Tipiniai tamsiosios medžiagos detektoriai yra gana dideli ir labai jautrūs staigiems įvykiams. Jie atlieka paieškas per kelerius metus, tačiau dažniausiai jie ieško realaus laiko WIMP čiaupų. Mineralai, nors ir gana nedideli ir mažiau jautrūs WIMP sąveikai, gali būti paieškos, kurios vyksta šimtus milijonų metų.

„Šie roko gabalai, išimti iš labai gilių šerdies, iš tikrųjų yra milijardai metų, – sakė Drukier. „Kuo giliau jūs einate, tuo vyresnis. Taigi staiga jums nereikia statyti detektoriaus. Jūs turite detektorių žemėje. “

Žemė kelia savo problemas. Planeta yra pilna radioaktyvaus urano, kuris gamina neutronus. Šie neutronai taip pat gali išmušti branduolius aplink. Freese sakė, kad pradinis popieriaus aprašymas apie paleo detektorius neatskleidė triukšmo, kurį sukėlė urano skilimas, tačiau kitų suinteresuotųjų mokslininkų komentarų nužudymas padėjo juos grįžti ir peržiūrėti. Grupė praleido du mėnesius studijavo tūkstančius mineralų, kad suprastų, kurios iš izoliuotų urano. Jie teigia, kad geriausius paleo detektorius sudarytų jūrų garai – iš esmės akmens druska – arba uolose, kuriose yra labai mažai silicio, vadinamo ultrabasiniais uolomis. Be to, jie ieško mineralų, turinčių daug vandenilio, nes vandenilis efektyviai blokuoja neutronus, atsirandančius iš urano skilimo.

Halitas, dažniau žinomas kaip akmens druska, yra ultragarso roko, kuris gali būti naudojamas kaip tamsiosios medžiagos detektorius.

Fosilinių gruntų paieška gali būti geras būdas ieškoti mažos masės WIMP, sakė Tracy Slatyer, teorinis fizikas Massachusetts technologijos institute, kuris nedalyvavo tyrime.

„Jūs ieškote branduolio, šokinėjančio iš pažiūros jokios priežasties, bet tam reikia tam tikro dydžio šuolio, kad pamatytumėte jį. Jei aš atsitrenksiu į „Ping-Pong“ kamuoliuką nuo boulingo kamuolys, mes nematysime, kad boulingo kamuolys perkelia labai daug – arba geriau sugebėsite aptikti gana nedidelius boulingo kamuolys judėjimo pokyčius “, – sakė ji . „Tai naujas būdas tai padaryti.“

Sunkiausias eksperimentas

Atitinkami lauko darbai nebūtų lengvi. Moksliniai tyrimai turėtų vykti giliai po žeme, kur pagrindiniai mėginiai būtų apsaugoti nuo kosminės ir saulės spinduliuotės. Ir norint išspręsti branduolių nudegimo įrodymus, reikės moderniausių nanotechnologijų.
Net jei WIMP paliks pastebimą randą, pagrindinė paleo detektorių problema bus užtikrinti, kad iškastiniai takai iš tikrųjų būtų iš tamsiosios medžiagos dalelių, sakė Slatyer. Mokslininkai turės daug laiko įtikinti save, kad grįžtantys daiktai yra ne neutronų, neutrinų iš saulės ar kažko kito, – sakė ji.

„Jie daro gerą pavyzdį, kad jūs galite eiti gana giliai, kad apsaugotumėte nuo kosminių spindulių“, – sakė ji, – tačiau tai nėra kontroliuojama sistema. Tai nėra laboratorija. Labai gerai nežinote šių uolienų nuosėdų. Net jei pareikalavote iš jo signalo, jūs turėtumėte padaryti daug daugiau, kad tikrai įsitikintumėte, jog nematėte kokios nors fono. “

Drukier ir Freese abu sakė, kad paleo-detektorių stiprumas gali būti skaičiumi. Rokas turi daugybę mineralinių medžiagų, kurių kiekvienas turi atomų branduolius, kurie įvairiais būdais sugrįžtų iš žiaurios WIMP. Todėl skirtingi elementai tarnautų kaip skirtingi detektoriai, visi susegti į vieną pagrindinį mėginį. Tai leistų eksperimentiniams specialistams peržiūrėti spektrą atkūrimo būdų, patvirtinančių jų įrodymus ir galbūt leisiančius daryti išvadas apie WIMP masę, sakė Freese. Ateityje paleo detektorius netgi galėtų suteikti WIMP įrašą, kaip ir fosiliniai įrašai leidžia paleontologams rekonstruoti gyvybės istoriją Žemėje.

Slatyrui ilgas rekordas galėtų pasiūlyti unikalų Paukščių Tako materijos halo, nematomos medžiagos debesį, kurį Žemė plaukia, nes saulės sistema savo 250 milijonų metų orbitą aplink galaktikos centrą. Suprasdamas, kaip Paukščių tako tamsioji medžiaga yra skleidžiama, galima suprasti jo fizinį elgesį. Jis netgi galėtų parodyti, ar tamsioji medžiaga sąveikauja su savimi tokiais būdais, kurie viršija sunkumą.

„Tai vieta, kur teorija ir modeliavimas vis dar vyksta labai aktyviai“, – sakė ji.

Tačiau tai vis dar toli nuo realybės. Freese ir Drukier sako, kad principinis paleo-detektorius pirmiausia turi parodyti, kad gali rasti atsilikimo takelius, kuriuos palieka žinomos dalelės, pvz., Saulės neutrinos. Tada jie turi įrodyti, kad jie gali išskirti WIMP takus iš šių paprastų atramų.

„Tai yra esminis perspektyvos pokytis, – sakė Drukier. „Ar radome tamsią medžiagą? Aš praleidau 35 metus. Tai tikriausiai yra pats sunkiausias eksperimentas pasaulyje, todėl mes negalime būti laimingi. Bet tai kieta. “

Originalus pasakojimas pakartotinai atspausdintas leidimu iš „Quanta Magazine“, redakciniu požiūriu nepriklausomo „Simons Foundation“ leidinio, kurio misija yra didinti visuomenės supratimą apie mokslą, apimant matematikos ir fizinių bei gyvosios gamtos mokslų mokslinių tyrimų raidą ir tendencijas.


Daugiau puikių WIRED istorijų