Pemburu Matematik Gelap Mencari Rock Inside untuk Petunjuk Baru


Dalam hampir dua sedozen makmal bawah tanah yang tersebar di seluruh bumi, menggunakan tong cecair atau blok logam dan semikonduktor, saintis sedang mencari bukti perkara gelap. Percubaan mereka semakin rumit, dan pencarian semakin tepat, namun selain dari isyarat yang banyak ditentang dari sebuah makmal di Itali, tidak ada yang menemui bukti langsung tentang bahan misterius yang dianggap menghasilkan 84 persen dari perkara itu di alam semesta.

Satu kajian baru menunjukkan kita perlu melihat lebih mendalam.

Majalah Quanta


foto pengarang

Mengenai

Cerita asal dicetak semula dengan izin dari Quanta Magazine, penerbitan bebas editorial dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman orang ramai terhadap sains dengan meliputi perkembangan penyelidikan dan trend dalam matematik dan sains fizikal dan kehidupan.

Matlamat gelap adalah berbeza daripada perkara biasa, baryonic – barang yang menjadikan bintang, galaksi, anjing, manusia dan segala yang lain – di mana ia tidak berinteraksi dengan apa pun kecuali melalui graviti (dan mungkin kekuatan nuklear yang lemah). Kita tidak boleh melihatnya, namun ahli fizik semuanya pasti ada di sana, memanjat galaksi dan jalan mereka melalui alam semesta.

Selama beberapa dekad, calon yang digemari untuk zarah-zarah materi yang gelap telah menjadi benda pemalu hipotetis yang disebut lemah menginteraksi zarah-zarah besar, atau WIMP. Banyak percubaan mencari mereka dengan mencari bukti bahawa WIMP telah datang dan mengetuk perkara biasa di sekitar. Dalam senario ini, WIMP akan mengetuk nukleus atom melalui kekuatan lemah. Nukleus yang terkejut kemudian akan mundur dan mengeluarkan beberapa bentuk tenaga, seperti kilat cahaya atau gelombang bunyi. Mengesan fenomena yang hampir tidak dapat dirasakan ini memerlukan instrumen sensitif, biasanya dikebumikan di bawah tanah. Ini kebanyakannya instrumen terlindung dari sinar kosmik yang menyala, yang juga boleh menyebabkan kebangkitan nukleus.

Selepas mencari ping-pingan pengsan ini selama beberapa dekad, para saintis mempunyai sedikit bukti kukuh untuk menunjukkannya. Kini pasukan fizik di Poland, Sweden dan A.S. mempunyai idea lain. Jangan melihat germanium dan xenon dan scintillators dalam pengesan dikebumikan di bawah kerak bumi, mereka berhujah: Lihatlah kerak bumi itu sendiri. Dalam rekod rock, di mana kisah-kisah masa lalu sistem suria kita dikebumikan, kita mungkin dapat mencari fosil dari nukleus atom yang terkejut, tapak kaki yang beku dari WIMP.

"Kami sentiasa memberi perhatian kepada cara alternatif untuk melakukan sesuatu," kata Katherine Freese, seorang ahli fizik teori di University of Michigan dan arkitek idea-idea di sebalik beberapa pengesan yang sedia ada dalam operasi.

Katherine Freese telah membangunkan beberapa idea untuk pengesan bahan gelap. Beberapa idea beliau telah berubah menjadi eksperimen.

Paleo-detector bawah tanah akan berfungsi dengan cara yang serupa dengan kaedah pengesanan langsung semasa, menurut Freese dan rakan-rakannya. Sebaliknya mengeluarkan makmal dengan jumlah besar cecair atau logam untuk melihat WIMP recoils dalam masa nyata, mereka akan mencari jejak fossil WIMPs membenturkan nukleus atom. Sebagai nuclei mundur, mereka akan meninggalkan jejak kerosakan di beberapa kelas mineral.
Jika nukleus recoils dengan semangat yang cukup, dan jika atom-atom yang terganggu kemudian dikebumikan mendalam di bumi (untuk melindungi sampel dari sinar kosmik yang boleh berlumpur data), maka trek mengejar dapat dipelihara. Sekiranya begitu, penyelidik mungkin dapat menggali batu itu, mengupas lapisan masa, dan meneroka peristiwa lama yang lalu menggunakan teknik pengimejan nano yang canggih seperti mikroskopi atom. Hasil akhirnya akan menjadi jejak fosil: rakan sejawat gelap untuk mencari jejak sauropod kerana melarikan diri pemangsa.

Tiny Taps

Sekitar lima tahun yang lalu, Freese mula meletupkan idea-idea untuk jenis pengesan baru dengan Andrzej Drukier, seorang ahli fizik di Universiti Stockholm yang memulakan kerjayanya mempelajari pengesanan perkara gelap sebelum berpindah ke biofisika. Salah satu idea mereka, yang disusun bersama dengan ahli biologi George Church, melibatkan pengesan benda gelap berdasarkan reaksi DNA dan enzim.

Pada tahun 2015 Drukier mengembara ke Novosibirsk, Rusia, untuk bekerja di sebuah prototaip pengesan biologi untuk ditempatkan di bawah permukaan bumi. Di Rusia, dia mengetahui lubang bor yang digerudi semasa Perang Dingin, beberapa daripadanya mencapai 12 kilometer ke bawah. Tiada sinaran kosmik boleh menembusi sejauh ini. Drukier tertarik.

Pengesan perkara gelap yang tipikal agak besar dan sangat sensitif terhadap peristiwa mendadak. Mereka menjalankan pencarian mereka selama beberapa tahun, tetapi sebahagian besar mereka mencari masa nyata WIMP. Mineral, walaupun agak kecil dan kurang sensitif terhadap interaksi WIMP, boleh mewakili pencarian yang berlangsung selama ratusan juta tahun.

"Potongan-potongan batu ini, dikeluarkan dari teras sangat dalam, sebenarnya adalah satu bilion tahun," kata Drukier. "Semakin jauh anda pergi, semakin tua. Jadi tiba-tiba anda tidak perlu membina pengesan. Anda mempunyai pengesan, di lapangan. "

Bumi menimbulkan masalahnya sendiri. Planet ini penuh dengan uranium radioaktif, yang menghasilkan neutron apabila ia mereput. Mereka neutron juga boleh mengetuk nukleus sekitar. Freese berkata kertas awal pasukan yang menggambarkan paleo-detectors tidak menyentuh kebisingan yang disumbangkan oleh kerosakan uranium, tetapi komen-komen daripada para saintis lain yang menarik membuat mereka kembali dan menyemak semula. Pasukan ini menghabiskan dua bulan mempelajari ribuan mineral untuk memahami mana yang terpencil dari kerosakan uranium. Mereka berpendapat bahawa pengesan paleo terbaik akan terdiri daripada evaporit laut – pada asasnya, garam batu – atau di dalam batu yang mengandungi sedikit silika, yang dipanggil batu ultrabasik. Di samping itu, mereka mencari mineral yang mempunyai banyak hidrogen, kerana hidrogen berkesan menghalang neutron yang berasal dari kerosakan uranium.

Halite, yang lebih dikenali sebagai garam batu, adalah batu ultrabasik yang berpotensi digunakan sebagai pengesan bahan gelap.

Mencari keburukan fosil mungkin cara yang baik untuk mencari WIMPs massa yang rendah, kata Tracy Slatyer, ahli fizik teori di Massachusetts Institute of Technology yang tidak terlibat dalam penyelidikan.

"Anda sedang mencari nukleus melompat kerana tidak ada sebab, tetapi ia perlu melompat dengan jumlah tertentu untuk anda melihatnya. Jika saya melantunkan bola Ping-Pong dari bola boling, kita tidak akan melihat bola boling bergerak sangat – atau lebih baik anda dapat mengesan perubahan kecil dalam pergerakan bola boling anda, "katanya. . "Ini adalah cara baru untuk melakukan itu."

Eksperimen Paling Sukar

Kerja lapangan yang terlibat tidak akan mudah. Penyelidikan akan berlaku di bawah tanah, di mana sampel teras akan dilindungi daripada radiasi kosmik dan solar. Dan pengimejan nano-of-the-art diperlukan untuk menyelesaikan bukti nukleus nukleus.
Walaupun WIMPs meninggalkan bekas luka yang boleh dilihat, kebimbangan utama untuk pengesan paleo akan memastikan trek fosil benar-benar berasal dari zarah materi gelap, kata Slatyer. Penyelidik perlu menghabiskan banyak masa untuk meyakinkan diri mereka bahawa recoils bukan kerja neutron, neutrinos dari matahari, atau sesuatu yang lain, katanya.

"Mereka membuat kes yang baik bahawa anda boleh pergi jauh untuk melindungi dari sinar kosmik," katanya, "tetapi ini bukan sistem terkawal. Ini bukan makmal. Anda mungkin tidak tahu sejarah deposit batu ini dengan baik. Walaupun anda mendakwa isyarat daripadanya, anda perlu melakukan lebih banyak kerja untuk menjadi benar-benar yakin bahawa anda tidak melihat beberapa jenis latar belakang. "

Drukier dan Freese kedua-duanya berkata kekuatan pengesan paleo mungkin terletak pada nombor. Batu mengandungi banyak mineral, masing-masing dengan nukleus atom yang akan menarik balik dari WIMP perarakan dengan cara yang berbeza. Oleh itu unsur-unsur yang berbeza akan berfungsi sebagai pengesan yang berbeza, semuanya dibungkus dalam satu sampel teras. Ini akan membolehkan para eksperimental melihat spektrum rekrut, membuktikan bukti mereka dan berpotensi membolehkan mereka membuat kesimpulan mengenai massa WIMP, kata Freese. Di masa depan, paleo-detector juga dapat memberikan rekod WIMP sepanjang masa, sama seperti rekod fosil membolehkan ahli paleontologi membina semula sejarah kehidupan di Bumi.

Untuk Slatyer, rekod panjang boleh menawarkan penyelidikan yang unik dari halo hal gelap Bima Sakti, awan bahan tidak kelihatan yang Bumi berenang melalui sistem solar menjadikan orbitnya 250 juta tahun di sekitar pusat galaksi. Memahami bagaimana halo hal gelap gelap yang diedarkan dapat memberikan gambaran tentang kelakuan fizikalnya, kata Slatyer. Ia juga dapat menunjukkan sama ada perkara gelap berinteraksi dengan dirinya sendiri dengan cara yang melampau graviti.

"Ini adalah tempat di mana teori dan pemodelan masih dalam perkembangan yang sangat aktif," katanya.

Walau bagaimanapun, itu masih jauh dari realiti. Freese dan Drukier mengatakan bahawa paleo-detector-dasar prinsip pertama harus menunjukkan bahawa ia dapat mencari trek yang ditinggalkan oleh zarah-zarah yang diketahui seperti neutrino solar. Kemudian mereka mesti membuktikan bahawa mereka boleh mengasingkan laluan WIMP dari rekoil biasa ini.

"Ia perubahan perspektif yang besar," kata Drukier. "Bolehkah kita mencari perkara yang gelap? Saya telah menghabiskan 35 tahun untuk mencarinya. Ini mungkin merupakan eksperimen yang paling sukar di dunia, jadi kita mungkin tidak bernasib baik. Tetapi ia sejuk. "

Cerita asal dicetak semula dengan izin dari Quanta Magazine, penerbitan bebas editorial dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman orang ramai terhadap sains dengan meliputi perkembangan penyelidikan dan trend dalam matematik dan sains fizikal dan kehidupan.


Lebih Banyak KERETAIAN WIRED