Lovci na tamnu materiju u potrazi za novim tragovima


U gotovo dvije desetak podzemnih laboratorija razasutih po cijeloj zemlji, koristeći bačve s tekućinom ili metalne i poluvodičke blokove, znanstvenici traže dokaze o tamnoj tvari. Njihovi eksperimenti postaju sve kompliciraniji, a pretraživanje postaje sve preciznije, no osim mnogo osporavanog signala koji dolazi iz laboratorija u Italiji, nitko nije pronašao izravne dokaze o tajanstvenom materijalu za koji se smatra da čini 84 posto materije u svemiru.

Nova studija sugerira da bismo trebali izgledati dublje.

Časopis Quanta


autorska fotografija

Oko

Izvorna priča preštampana je uz dopuštenje časopisa Quanta, urednički neovisnog izdanja Zaklade Simons, čija je misija unaprijediti javno razumijevanje znanosti pokrivajući istraživanja i trendove u matematici i fizičkim i životnim znanostima.

Tamna tvar je drugačija od uobičajene, barionske materije – stvari koje stvaraju zvijezde, galaksije, pse, ljude i sve ostalo – u tome što ne djeluju s bilo čim osim gravitacijom (i možda slabom nuklearnom silom). Mi to ne možemo vidjeti, ali fizičari su svi sigurni da je tu, da oblikuju galaksije i njihove puteve kroz kozmos.

Mnogo desetljeća, favorizirani kandidati za čestice tamne materije bili su hipotetska stidljiva stvar koja se naziva slabo međudjelujuće masivne čestice ili WIMP-ovi. Mnogi eksperimenti tragaju za njima tražeći dokaze da je došao WIMP i oborio regularnu materiju. U ovom scenariju, WIMP bi dotaknuo atomsku jezgru preko slabe sile. Zapanjena jezgra tada bi se trzala i emitirala neki oblik energije, kao što je bljesak svjetla ili zvučni val. Otkrivanje takvih jedva primjetnih pojava zahtijeva osjetljive instrumente, obično zakopane duboko pod zemljom. To je uglavnom tako da su instrumenti zaštićeni od obmanjujućih kozmičkih zraka, koji također mogu uzrokovati odbijanje jezgara.

Nakon što su desetljećima tragali za tim blijedim pingovima, znanstvenici imaju malo čvrstih dokaza za to. Sada tim fizičara u Poljskoj, Švedskoj i SAD-u ima još jednu ideju. Ne gledajte u germanij i ksenon i scintilatore u detektorima zakopanim ispod Zemljine kore, tvrde oni: Pogledajte samo planetu. U snimci stijena, gdje su priče o prošlosti našeg Sunčevog sustava zakopane, mogli bismo pronaći fosilizirani trzaj zapanjenih atomskih jezgri, smrznute otiske WIMP-a.

"Uvijek se bavimo alternativnim načinima za obavljanje poslova", rekla je Katherine Freese, teoretska fizičarka sa Sveučilišta u Michiganu i arhitekta ideja nekih od postojećih detektora.

Katherine Freese razvila je niz ideja za detektore tamne tvari. Neke njezine ideje pretvorene su u eksperimente.

Podzemni paleo-detektor bi radio na način sličan trenutnim metodama izravne detekcije, tvrdi Freese i njezini kolege. Umjesto opremanja laboratorija velikim volumenom tekućine ili metala za promatranje WIMP-a u stvarnom vremenu, tražili bi fosilne tragove WIMP-ova koji lupaju u atomske jezgre. Kako se jezgre odbijaju, ostavljaju tragove oštećenja u nekim razredima minerala.
Ako se nukleus vrti s dovoljno snage i ako se atomi koji su uznemireni tada zakopaju duboko u zemlju (kako bi zaštitili uzorak od kozmičkih zraka koji mogu blatiti podatke), onda bi se mogao sačuvati trasa trzaja. Ako je tako, istraživači će moći iskopati kamen, odvojiti slojeve vremena i istražiti davni događaj koristeći sofisticirane nano-slikovne tehnike kao što je mikroskopija atomske sile. Krajnji rezultat bio bi fosilni trag: pandan tamne tvari u pronalaženju otiska sauropoda kao što je pobjegao predator.

Sićušne slavine

Prije pet godina, Freese je počeo bacati oko ideja za nove tipove detektora s Andrzejem Drukierom, fizičarom sa Sveučilišta u Stockholmu koji je započeo svoju karijeru proučavajući otkrivanje tamne tvari prije okretanja na biofiziku. Jedna od njihovih ideja, osmišljena zajedno s biologom George Church, uključivala je detektore tamne tvari temeljene na DNA i enzimskim reakcijama.

Godine 2015. Drukier je otputovao u Novosibirsk, u Rusiju, kako bi radio na prototipu biološkog detektora koji bi bio smješten ispod zemljine površine. U Rusiji je saznao za bušotine izbušene tijekom hladnog rata, od kojih neke dostižu 12 kilometara. Niti jedan kozmički zrak ne može prodrijeti tako daleko. Drukier je bio zaintrigiran.

Tipični detektori tamne tvari relativno su veliki i vrlo osjetljivi na iznenadne događaje. Oni pretražuju više godina, ali uglavnom traže WIMP slavine u stvarnom vremenu. Minerali, iako relativno mali i manje osjetljivi na WIMP interakcije, mogu predstavljati pretraživanje koje traje stotinama milijuna godina.

"Ovi komadići stijene, uklonjeni s vrlo, vrlo dubokih jezgri, zapravo su stari milijardu godina", rekao je Drukier. – Što dublje odeš, to je stariji. Tako odjednom ne morate graditi detektor. Imate detektor, u zemlji.

Zemlja postavlja svoje probleme. Planet je pun radioaktivnog urana, koji proizvodi neutrone dok se raspada. Ti neutroni također mogu razbijati jezgre okolo. Freese je kazao da početni rad tima koji opisuje paleo-detektore ne objašnjava buku koju pridonosi propadanje urana, ali brojni komentari drugih zainteresiranih znanstvenika natjerali su ih da se vrate i revidiraju. Tim je proveo dva mjeseca proučavajući tisuće minerala kako bi razumio koji su izolirani iz uranijevog propadanja. Oni tvrde da bi se najbolji paleo-detektori sastojali od morskih isparivača – u osnovi, kamene soli – ili u stijenama koje sadrže vrlo malo silicija, koje se nazivaju ultrabazičnim stijenama. Osim toga, oni traže minerale koji imaju mnogo vodika, jer vodik učinkovito blokira neutrone koji dolaze iz propadanja urana.

Halit, poznatiji kao kamena sol, je ultrabazična stijena koja se potencijalno može koristiti kao detektor tamne tvari.

Traženje fosilnih udara može biti dobar način za traženje WIMP-ova male mase, kaže Tracy Slatyer, teoretski fizičar s Massachusetts Institute of Technology, koji nije bio uključen u istraživanje.

– Tražite jezgru koja naizgled nema razloga za skakanje, ali ona mora skočiti za određenu količinu da biste je vidjeli. Ako odbacim lopticu za ping-pong s kugle za kuglanje, nećemo vidjeti kuglu koja se kreće jako puno – ili biste bolje mogli otkriti prilično male promjene u kretanju vaše kugle za kuglanje, ”rekla je ona. , "To je novi način za to."

Najteži eksperiment

Rad na terenu ne bi bio lak. Istraživanja bi se trebala odvijati duboko u podzemlju, gdje bi uzorci jezgre bili zaštićeni od kozmičkog i sunčevog zračenja. Za rješavanje dokaza o nuklearnom potiskivanju bilo bi potrebno izraditi najsuvremenije nano-slike.
Čak i ako WIMP-ovi napuste vidljiv ožiljak, glavna briga paleo-detektora bit će da osiguraju da fosilni tragovi zaista dolaze iz čestica tamne tvari, rekao je Slatyer. Istraživači će morati potrošiti mnogo vremena uvjeravajući se da trzaj nije djelo neutrona, neutrina od sunca, ili nešto drugo, rekla je.

"Oni čine dobar slučaj da možete ići prilično duboko da zaštitite kozmičke zrake", rekla je, "ali to nije kontrolirani sustav." Ovo nije laboratorij. Možda ne znate povijest ovih naslaga stijena vrlo dobro. Čak i ako ste od njega zatražili signal, morat ćete učiniti mnogo više posla da biste bili doista uvjereni da niste vidjeli neku vrstu pozadine. "

Drukier i Freese su rekli da snaga paleo-detektora može biti u brojkama. Stijena sadrži mnoštvo minerala, svaki s atomskom jezgrom koja bi se na različite načine trzala od pljačkaškog WIMP-a. Različiti elementi bi stoga služili kao različiti detektori, svi umotani u jedan uzorak jezgre. To bi eksperimentatorima omogućilo da vide spektar trzanja, potvrđujući svoje dokaze i potencijalno dopuštajući im da donesu zaključke o masi WIMP-a, rekao je Freese. U budućnosti bi paleo-detektor mogao čak i osigurati WIMP zapis kroz vrijeme, baš kao što fosilni zapis paleontolozima omogućuje rekonstrukciju povijesti života na Zemlji.

Slatyeru, dugačak zapis mogao bi ponuditi jedinstvenu sondu tamne materije mliječne staze, oblak nevidljivog materijala kroz koji Zemlja pliva dok Sunčev sustav čini orbitu od 250 milijuna godina oko središta galaksije. Razumijevanje kako se distribuira tamna tvar Mliječne staze može pružiti uvid u njegovo fizičko ponašanje, rekao je Slatyer. Moglo bi čak pokazati je li tamna tvar u interakciji sa sobom na načine koji nadilaze gravitaciju.

"Ovo je mjesto gdje je teorija i modeliranje još uvijek u vrlo aktivnom razvoju", rekla je.

Međutim, to je još uvijek daleko od stvarnosti. Freese i Drukier kažu da bi dokazani paleo-detektor trebao dokazati da može pronaći staze trzanja koje su ostavile poznate čestice poput solarnih neutrina. Zatim moraju dokazati da mogu izolirati WIMP staze od tih običnih trzaja.

"To je velika promjena perspektive", rekao je Drukier. – Hoćemo li pronaći tamnu tvar? Proveo sam 35 godina tražeći ga. Ovo je vjerojatno najteži eksperiment na svijetu, tako da možda nećemo biti sretni. Ali to je cool.

Izvorna priča preštampana je uz dopuštenje časopisa Quanta, urednički neovisnog izdanja Zaklade Simons, čija je misija unaprijediti javno razumijevanje znanosti pokrivajući istraživanja i trendove u matematici i fizičkim i životnim znanostima.


Više sjajnih žičanih priča