Lovci na temne snovi iščejo v notranjosti kamenja za nove namige


V skoraj dveh ducat podzemnih laboratorijev, raztresenih po vsej zemlji, z uporabo kadi s tekočino ali kovinskimi bloki in polprevodniki, znanstveniki iščejo dokaze o temni snovi. Njihovi poskusi postajajo vse bolj zapleteni, iskanje pa postaja vse bolj natančno, toda poleg zelo izpodbijanega signala, ki prihaja iz laboratorija v Italiji, nihče ni našel neposrednih dokazov o skrivnostnem materialu, za katerega velja, da predstavlja 84 odstotkov snovi. v vesolju.

Nova študija kaže, da bi morali videti globlje.

Revija Quanta


avtorska fotografija

O tem

Originalna zgodba je bila natisnjena z dovoljenjem Quanta Magazine, uredniško neodvisne publikacije Simonsove fundacije, katere poslanstvo je izboljšati javno razumevanje znanosti, tako da zajema raziskovalne dosežke in trende v matematiki ter fizikalnih in življenjskih znanostih.

Temna snov je drugačna od običajne, bariozne snovi – stvari, ki ustvarjajo zvezde, galaksije, pse, ljudi in vse ostalo – s tem, da ne vpliva na ničesar, razen preko gravitacije (in morda šibke jedrske sile). Ne moremo je videti, vendar so fiziki vsekakor gotovi, da so tam, kipirajo galaksije in njihove poti skozi kozmos.

Že več desetletij so bili favorizirani kandidati za delce temne snovi hipotetična sramežljiva stvar, imenovana šibko vzajemni masivni delci, ali WIMP. Številni poskusi jih iščejo tako, da iščejo dokaze, da je prišlo do tega, da je prišlo do WIMP-ja in da je okrog njih sprožilo redne zadeve. V tem scenariju bi WIMP prek šibke sile uporabil atomsko jedro. Zgrešeno jedro bi se nato odbilo in oddaja neko obliko energije, kot je blisk svetlobe ali zvočni val. Odkrivanje takih komaj zaznavnih pojavov zahteva občutljive instrumente, ki so ponavadi zakopani globoko pod zemljo. To je predvsem zato, ker so inštrumenti zaščiteni pred naklonjenimi kozmičnimi žarki, ki lahko povzročijo tudi odboje jedra.

Po tem, ko so desetletja iskali te šibke pingse, znanstveniki nimajo dovolj trdnih dokazov. Sedaj ima skupina fizikov na Poljskem, Švedskem in v ZDA še eno idejo. Ne opazujte, da so germanij in ksenon ter scintilatorji v detektorjih, ki so zakopani pod zemeljsko skorjo, trdijo: Poglejte v samo planetovo skorjo. V kamnitem zapisu, kjer so zgodbe o preteklosti našega sončnega sistema zakopane, bi lahko našli fosilizirano odmetavanje zgroženih atomskih jeder, zamrznjenih odtisov WIMP-a.

»Vedno se ukvarjamo z alternativnimi načini,« pravi Katherine Freese, fizikalna teoretičarka na Univerzi v Michiganu in arhitektka idej za nekatere obstoječe detektorje.

Katherine Freese je razvila številne ideje za detektorje temne snovi. Nekatere njene ideje so se spremenile v eksperimente.

Podzemni paleo-detektor bi deloval na način, podoben trenutnim metodam neposrednega odkrivanja, po Freesovih in njenih sodelavcih. Namesto, da bi opremili laboratorij z veliko količino tekočine ali kovine, da bi opazovali WIMP-ov udarec v realnem času, bi iskali fosilne sledove WIMP-jev, ki bi udarili v atomska jedra. Ko se jedri odvrnejo, bodo v nekaterih razredih mineralov pustili poškodbe.
Če se jedro odvrne z dovolj močjo in če se atomi, ki so moteni, zataknejo globoko v zemljo (da zaščitijo vzorec pred kozmičnimi žarki, ki lahko blatnejo podatke), potem bi se lahko ohranila povratna sled. Če je tako, lahko raziskovalci izkopljejo skalo, odstranijo plasti časa in raziščejo davni dogodek z uporabo sofisticiranih nano-slikovnih tehnik, kot je mikroskopija atomske sile. Končni rezultat bi bila fosilna sled: temna snov, ki naj bi poiskala odtis sauropoda, ko je pobegnila pred plenilcu.

Majhne pipe

Pred petimi leti je Freese začel premetavati ideje za nove vrste detektorjev z Andrzejem Drukierjem, fizikom, ki je zdaj na univerzi v Stockholmu in je začel svojo kariero preučevati odkrivanje temne snovi, preden se je vrnil v biofiziko. Ena od njihovih zamisli, ki so jo skupaj z biologom George Church ustvarili, so bili detektorji temne snovi, ki temeljijo na DNA in encimskih reakcijah.

Leta 2015 je Drukier odpotoval v Novosibirsk v Rusijo, da bi delal na prototipu biološkega detektorja, ki bi bil nameščen pod zemeljsko površino. V Rusiji je izvedel, da so vrtine, ki so bile izvedene med hladno vojno, nekatere od njih dosegle 12 kilometrov navzdol. Nobena kozmična žarka ne more prodreti tako daleč. Drukier je bil zaintrigiran.

Tipični detektorji temne snovi so relativno veliki in zelo občutljivi na nenadne dogodke. Svoje poizvedbe izvajajo več let, vendar večinoma iščejo WIMP v realnem času. Minerali, ki so relativno majhni in manj občutljivi za interakcije z WIMP, lahko predstavljajo iskanje, ki traja več sto milijonov let.

»Ti kamni, odstranjeni iz zelo, zelo globokih jeder, so pravzaprav milijardo let stari,« je dejal Drukier. »Kolikor pogosteje greste, starejši je. Tako nenadoma vam ni treba zgraditi detektorja. Imate detektor, v zemlji.

Zemlja predstavlja svoje probleme. Planet je poln radioaktivnega urana, ki proizvaja nevtrone med razpadanjem. Ti nevtroni lahko tudi razbijajo jedra. Freese je povedal, da začetni dokument skupine, ki opisuje paleo-detektorje, ni upošteval hrupa, ki ga je povzročil uranov razpad, vendar jih je več pripomb drugih znanstvenikov prisililo, da se vrnejo in revidirajo. Skupina je dva meseca preučevala na tisoče mineralov, da bi razumela, katere so izolirane iz uranovega razpada. Trdijo, da bi bili najboljši paleo-detektorji sestavljeni iz morskih evaporitov – v bistvu, kamene soli – ali v kamninah, ki vsebujejo zelo malo silicijevega dioksida, ki se imenujejo ultrabazične kamnine. Poleg tega iščejo minerale, ki imajo veliko vodika, saj vodik učinkovito blokira nevtrone, ki prihajajo iz razpada urana.

Halit, bolj znan kot kamena sol, je ultrabazična skala, ki bi jo lahko uporabili kot detektor temne snovi.

Iskanje fosilnih odbojev je lahko dober način za iskanje WIMP-jev z nizko maso, je povedala Tracy Slatyer, fizikalna teoretičarka na Massachusetts Institute of Technology, ki ni sodelovala pri raziskavah.

»Iščete jedro, ki skakanje za na videz ni razloga, vendar mora skočiti za določeno količino, da ga vidite. Če z žogo za balinanje odbijem žogo za ping-pong, ne bomo videli, da bi se krogla za bowling premaknila zelo veliko – ali pa bi bilo bolje, če bi lahko zaznali precej majhne spremembe v gibanju vaše bowling krogle, «je rekla . "To je nov način za to."

Najtežji eksperiment

Sodelovanje na terenu ne bi bilo lahko. Raziskave bi morale potekati globoko pod zemljo, kjer bi bili vzorci jedra zaščiteni pred kozmičnim in sončnim sevanjem. In najsodobnejše nano-slikanje bi bilo potrebno, da bi rešili dokaze o nuklearnem natezanju.
Tudi če WIMPi zapustijo opazno brazgotino, bo glavna skrb za paleo-detektorje zagotovitev, da fosilne sledi dejansko prihajajo iz delcev temne snovi, je dejal Slatyer. Raziskovalci bodo morali porabiti veliko časa, da bi se prepričali, da odboji niso delo nevtronov, nevtrinov od sonca ali kaj drugega, je dejala.

»Dober primer so, da lahko greste globoko, da zaščitite kozmične žarke,« je dejala, »toda to ni nadzorovan sistem. To ni laboratorij. Morda ne poznate zgodovine teh kamnin zelo dobro. Tudi če bi od njega zahtevali signal, bi morali narediti veliko več dela, da bi bili resnično prepričani, da niste videli neke vrste ozadja. "

Drukier in Freese sta rekla, da je moč paleo-detektorjev v številu. V kamnini je množica mineralov, vsaka z atomskimi jedri, ki bi se na različne načine odvrgla od plazilskega WIMP-a. Različni elementi bi zato služili kot različni detektorji, vsi zaviti v enem jedru. To bi eksperimentatorjem omogočilo, da si ogledajo spekter odbojev, ki bi potrdili svoje dokaze in jim omogočili, da sprejmejo sklepe o masi WIMP, je dejal Freese. V prihodnosti bi lahko paleo-detektor celo zagotovil zapis WIMP skozi čas, tako kot fosilni zapis paleontologom omogoča rekonstrukcijo zgodovine življenja na Zemlji.

Za Slatyerja bi lahko dolg zapis ponujal edinstveno sondo temne snovi, ki je temna snov Rimske ceste, oblak nevidnega materiala, skozi katerega plava Zemlja, ko sončni sistem naredi svojo 250-letno orbito okoli središča galaksije. Slatyer je dejal, da lahko razumevanje o tem, kako je porazdeljena temna snov v temi, nastane v temi, omogoči vpogled v njeno fizično obnašanje. Lahko bi celo pokazalo, ali temna snov sodeluje s samim seboj na načine, ki presegajo gravitacijo.

»To je prostor, kjer se teorija in modeliranje še vedno zelo razvijajo,« je povedala.

Vendar je to še vedno daleč od resničnosti. Freese in Drukier pravita, da bi moral dokazni paleo-detektor najprej dokazati, da lahko najde povratne sledi, ki so jih pustili znani delci, kot so sončni neutrini. Potem morajo dokazati, da lahko izolirajo WIMP sledi od teh navadnih odbojev.

"To je velika sprememba perspektive," je dejal Drukier. »Ali bomo našli temno snov? 35 let sem ga iskal. To je verjetno najtežji poskus na svetu, zato morda nimamo sreče. Ampak to je kul. "

Originalna zgodba je bila natisnjena z dovoljenjem Quanta Magazine, uredniško neodvisne publikacije Simonsove fundacije, katere poslanstvo je izboljšati javno razumevanje znanosti, tako da zajema raziskovalne dosežke in trende v matematiki ter fizikalnih in življenjskih znanostih.


Več Great WIRED Stories